Создание атомной бомбы - Ричард Роудс

В самый день приезда Улам познакомился с Эдвардом Теллером – его назначили в группу Теллера, – который «говорил со мной в этот первый день об одной задаче из математической физики, которая была частью теоретической работы, необходимой для подготовки к созданию “супер”-бомбы»[2310]. То, что в первые дни пребывания Улама в Лос-Аламосе Теллер мобилизовал его на расчеты по супербомбе, было одним из проявлений все более расширяющихся разногласий между Теллером и Хансом Бете, которому было нужно, чтобы все имеющиеся теоретики и математики сосредоточились на сложной задаче имплозии. Теллер активно включился – и внес важный вклад – в самую интересную часть этой работы. «Однако, – жалуется Бете, – он отказался возглавить группу, занимающуюся детальными расчетами имплозии. Поскольку в теоретическом отделе остро не хватало людей, для выполнения той работы, которой отказался заниматься Теллер, потребовалось привлечь новых сотрудников»[2311]. Это было одной из причин приглашения в Лос-Аламос британской делегации.

Теллер не помнит о таком конкретном отказе. «[Бете] хотел, чтобы я работал над подробностями вычислений, в которых я не особенно силен, – возражает он, – а я хотел продолжать работу не только над водородной бомбой, но и вообще над любой новой темой»[2312].

В феврале 1944 года Управляющий совет Лос-Аламоса еще раз пересмотрел перспективы супербомбы и выяснил, что, хотя дейтерий имеет более благоприятное сечение, добиться его зажигания будет трудно. В супербомбе почти наверняка потребуется использовать тритий. Маленькие образцы трития, полученные к этому времени, были образованы в циклотроне, при бомбардировке лития нейтронами. Для крупномасштабного производства трития, как и для крупномасштабного производства плутония, понадобились бы производственные реакторы, но реакторы в Хэнфорде еще не были готовы и были предназначены для другой цели. «Как из-за еще не разрешенных теоретических проблем, так и в связи с возможной необходимостью использования в супербомбе трития, – сообщает техническая история Лос-Аламоса, – казалось, что ее разработка займет значительно больше времени, чем предполагалось вначале». Работа над нею могла продолжаться – супербомба была настолько поразительным оружием, что забросить ее было невозможно, – но лишь постольку, поскольку она «не мешала выполнению основной программы»[2313].

Вскоре фон Нейман привлек Улама к исследованию гидродинамики имплозии. Задача сводилась к обсчету взаимодействий между несколькими ударными волнами по мере их развития во времени, то есть нужно было свести непрерывное движение нескольких движущихся и взаимодействующих поверхностей к некой пригодной к практическому применению математической модели. «Гидродинамическая задача формулировалась просто, – отмечает Улам, – но с чрезвычайным трудом поддавалась вычислениям – не только детальным, но даже с точностью до порядка величины»[2314].

В особенности он вспоминает долгую дискуссию в начале 1944 года, в которой он усомнился в необходимости «всех хитроумных приемов и теоретических упрощений, которые предлагали фон Нейман и другие… физики». Вместо этого, утверждал он, следует использовать «простое решение “в лоб” – то есть более реалистический подход с огромным количеством численных расчетов»[2315]. Такую работу невозможно было выполнить без ошибок вручную, на настольных калькуляторах. По счастью, лаборатория уже заказала карт-сортеры[2316] производства IBM для облегчения расчетов критической массы в бомбах с активным материалом нестандартной формы. Оборудование IBM было доставлено в начале апреля 1944 года, и теоретический отдел тут же загрузил его численными расчетами имплозии. Гидродинамические задачи, предполагавшие подробные и повторяющиеся вычисления, особенно хорошо подходили для машинных расчетов; по-видимому, эта работа заставила фон Неймана задуматься о возможностях усовершенствования таких машин[2317].

Затем один из членов только что прибывшей британской делегации высказал предложение, которое полностью окупило приезд его группы. Оксфордский физик Джеймс Л. Так, высокий, вечно взъерошенный протеже Черуэлла, разрабатывал в Англии кумулятивные бронебойные снаряды. Кумулятивный заряд представляет собой заряд взрывчатого вещества, которому придают такую форму – обычно коническую с полостью внутри, наподобие пустого рожка для мороженого, – что его ударная волна, которая обычно бывает расходящейся в форме раздувающегося пузыря, сходится в высокоскоростную струю. Такая мощная струя может пробить толстую танковую броню и уничтожить экипаж, находящийся внутри танка.

Незадолго до этого теоретические работы показали, что расходящиеся ударные волны, создаваемые множественными детонаторами в экспериментах Неддермейера, сталкиваясь, усиливают друг друга и создают точки высокого давления; в свою очередь, такие узлы давления порождают струи и другие возмущения, которые нарушают эффект имплозии. Вполне разумно, предложил лаборатории Джеймс Так, не продолжать попытки сглаживания набора сталкивающихся друг с другом ударных волн, а попытаться разработать такое расположение взрывчатки, при котором с самого начала будет возникать сходящаяся волна, что придаст ударной волне форму, необходимую для сжатия. Такие заряды называли взрывными линзами по аналогии с линзами оптическими, фокусирующими свет подобным же образом.

Никто не хотел возиться с такой сложной задачей на столь позднем этапе войны. Новую информацию по этому вопросу предоставил британский гидродинамик Джеффри Тейлор, приехавший в мае. Он занимался раньше эффектом, который назвали неустойчивостью Рэлея – Тейлора, то есть областями нестабильности, которые образуются на границах между разными материалами. Он дал математическое доказательство того, что при столкновении движущегося с ускорением тяжелого материала с материалом более легким граница между ними остается устойчивой. Но при столкновении движущегося с ускорением легкого материала с материалом более тяжелым граница между ними становится неустойчивой и турбулентной, в результате чего эти два материала перемешиваются чрезвычайно труднопредсказуемым образом. Взрывчатка была материалом, легким по сравнению с отражающей оболочкой. Все рассматриваемые материалы отражающей оболочки, кроме урана, были значительно легче плутония. Неустойчивость Рэлея – Тейлора создавала трудности для конструкторов. Кроме того, она затрудняла предсказание мощности будущей бомбы.

По мере того как из результатов вычислений на машинах IBM прояснялось поведение ударных волн, у физиков появились серьезные сомнения в том, что от однородной взрывчатой оболочки вообще можно добиться симметричного взрыва. Какими бы сложными ни были взрывчатые линзы, они, по-видимому, были единственным средством получения имплозии. Фон Нейман взялся за их проектирование. «Нужно предположить, что скорость детонационной волны в химической взрывчатке можно регулировать с очень высокой точностью, – объясняет Кистяковский, – так, чтобы после создания волны в определенных точках при помощи детонаторов можно было точно предсказать, где она окажется в тот или иной момент. Тогда можно проектировать заряд»[2318]. Вскоре стало ясно, что скорость сходящихся ударных волн от нескольких взрывных линз, окружающих активный материал бомбы, должна различаться не более чем на пять процентов[2319].