1 История создания ядерного оружия в США и СССР Кошелев Ф.П. Доцент, к.т.н. - презентация

1 1 История создания ядерного оружия в США и СССР Кошелев Ф.П. Доцент, к.т.н

2 год Итальянский физик Энрико Ферми проводил ряд опытов по поглощению нейтронов разными элементами, в том числе ураном. Облучение урана давало радиоактивные ядра с различными периодами полураспада. Ферми предположил, что эти ядра принадлежат трансурановым элементам, т.е. элементам с атомным номером выше 92. Немецкий химик Ида Нодак подвергла критике предполагаемое открытие трансуранового элемента и высказала предположение о том, что под действием бомбардировки нейтронами ядра урана распадаются на ядра элементов с меньшими атомными номерами. Её рассуждения не были восприняты в среде ученых и остались без внимания.

3 год В конце 1939 г. в Германии была опубликована статья Гана и Штрассмана, в которой были приведены результаты экспериментов доказывающая деление урана. В начале 1940 г. Фриш, работавший в лаборатории Нильса Бора в Дании, и Лиза Мейтнер, эмигрировавшая в Стокгольм, опубликовали статью, объяснявшую результаты экспериментов Гана и Штрассмана. Ученые в других лабораториях немедленно попытались повторить эксперименты немецких физиков, и пришли к выводу в правильности их выводов. Одновременно Жолио-Кюри и Ферми, независимо, в своих экспериментах выяснили, что при делении урана одним нейтроном выделяется более двух свободных нейтронов способных вызвать продолжение реакции деления в виде цепной реакции. Тем самым экспериментально была обоснована возможность самопроизвольного характер продолжения этой реакции расщепления ядер, в том числе и взрывного характера.

4 4 Теоретические предположения самоподдерживающейся цепной реакции деления были сделаны учеными ещё до открытия деления урана (сотрудники Института химической физики Ю.Харитон, Я. Зельдович и Н.Семенов в 1937г. первыми в мире предложили расчет цепной ядерной реакции деления), а Л.Сциллард ещё в 1935г. запатентовал принцип цепной реакции деления. В 1940г. ученые ЛФТИ К. Петржак и Г. Флеров обнаружили спонтанное деление ядер урана и опубликовали статью, получившую широкий резонанс среди физиков в мире. У большинства ученых-физиков уже не оставалось сомнения относительно возможности создания оружия большой разрушительной силы.

5 5 Манхэттенский проект 6 декабря 1941 г. Белый дом принял решение ассигновать крупные средства на создание атомной бомбы. Сам проект носил кодовое название Манхэттенского проекта. Первоначально руководителем проекта был назначен политический администратор Буш, которого довольно скоро заменил бригадный генерал Л. Гровс. Научную часть проекта возглавил Р. Оппенгеймер, который и считается отцом атомный бомбы. Проект был тщательно засекречен. Как указал сам Гровс, из 130 тысяч человек, занятых в осуществлении атомного проекта, только около нескольких десятков знали проект в целом. Ученые работали в обстановке слежки и строгой изоляции. Дело доходило буквально до курьезов: физик Г. Смит, возглавлявший одновременно два отдела, для разговора с самим собой должен был получать разрешение у Гровса.

6 6 Манхэттенский проект Лесли Ричард Грувс (Leslie Richard Groves) Роберт Оппенгеймер

7 7 Перед учеными и инженерами встают две основные проблемы получения делящегося материала для атомной бомбы – разделение изотопов урана (235 и 238) из естественного урана или искусственная наработка плутония. Перед учеными и инженерами встают две основные проблемы получения делящегося материала для атомной бомбы – разделение изотопов урана (235 и 238) из естественного урана или искусственная наработка плутония. Первая проблема с которой столкнулись участники Манхэттенского проекта – это разработка промышленного способа выделения урана-235 за счет использования ничтожного различия в массе изотопов урана. Первая проблема с которой столкнулись участники Манхэттенского проекта – это разработка промышленного способа выделения урана-235 за счет использования ничтожного различия в массе изотопов урана.

8 8 Вторая проблема – найти промышленную возможность превращения урана-238 в новый, элемент с эффективными свойствами деления – плутоний, который мог быть отделен от исходного урана химическим способом. Это могло быть сделано либо при использовании ускорителя (путь по которому были получены первые микрограммовые количества плутония в лаборатории Беркли), либо при использовании иного более интенсивного источника нейтронов (например: ядерного реактора). Возможность создания ядерного реактора, в котором можно поддерживать управляемую цепную реакцию деления, была продемонстрирована Э.Ферми 2 декабря 1942г. под западной трибуной стадиона Чикагского университета (центр многонаселенного района). После того как реактор был запущен и была продемонстрирована возможность поддержания регулируемой цепной реакции, Комптон, директор университета, передал ставшее теперь знаменитым шифрованное сообщение: Итальянский мореплаватель высадился в Новом Свете. Туземцы настроены дружелюбно. Вторая проблема – найти промышленную возможность превращения урана-238 в новый, элемент с эффективными свойствами деления – плутоний, который мог быть отделен от исходного урана химическим способом. Это могло быть сделано либо при использовании ускорителя (путь по которому были получены первые микрограммовые количества плутония в лаборатории Беркли), либо при использовании иного более интенсивного источника нейтронов (например: ядерного реактора). Возможность создания ядерного реактора, в котором можно поддерживать управляемую цепную реакцию деления, была продемонстрирована Э.Ферми 2 декабря 1942г. под западной трибуной стадиона Чикагского университета (центр многонаселенного района). После того как реактор был запущен и была продемонстрирована возможность поддержания регулируемой цепной реакции, Комптон, директор университета, передал ставшее теперь знаменитым шифрованное сообщение: Итальянский мореплаватель высадился в Новом Свете. Туземцы настроены дружелюбно.

9 9 Манхэттенский проект включал три основных центра 1. Ханфордский комплекс, который включал 9 промышленных реакторов для получения плутония. Характерными являются очень короткие сроки строительства – 1,5–2 года. 2.Заводы в местечке ОК-Ридж, где использовались электромагнитный и газодиффузионный методы разделения для получения обогащенного урана Научная лаборатория в Лос-Аламосе, где разрабатывались теоретически и практически конструкция атомной бомбы и технологический процесс ее изготовления.

10 10 Пушечный проектПушечный проект Наиболее простая конструкция для создания критической массы – использование пушечного метода. По этому методу одна подкритическая масса делящегося материала направлялась как снаряд в направлении другой подкритической массы, играющей роль мишени, и это позволяет создать сверхкритическую массу, которая должна взорваться. При этом скорость сближения достигала м/сек. Этот принцип пригоден для создания атомной бомбы на уране, поскольку уран – 235 имеет очень низкую скорость спонтанных делений т.е. собственный фон нейтронов. Такой принцип был использован в конструкции урановой бомбы Малыш, сброшенной на Хиросиму. Наиболее простая конструкция для создания критической массы – использование пушечного метода. По этому методу одна подкритическая масса делящегося материала направлялась как снаряд в направлении другой подкритической массы, играющей роль мишени, и это позволяет создать сверхкритическую массу, которая должна взорваться. При этом скорость сближения достигала м/сек. Этот принцип пригоден для создания атомной бомбы на уране, поскольку уран – 235 имеет очень низкую скорость спонтанных делений т.е. собственный фон нейтронов. Такой принцип был использован в конструкции урановой бомбы Малыш, сброшенной на Хиросиму. U – 235 BANG!

11 11 Имплозионный проект Однако оказалось, что «пушечный» принцип конструкции не может быть использован для плутония из-за высокой интенсивности нейтронов от спонтанного деления изотопа плутоний – 240. Потребовались бы такие скорости сближения двух масс, которые невозможно обеспечить этой конструкцией. Поэтому был предложен второй принцип конструкции атомной бомбы, основанный на использовании явления сходящегося внутрь взрыва (имплозии). В этом случае сходящаяся взрывная волна от взрыва обычного взрывчатого вещества направляется на расположенный внутри делящийся материал и сжимает его до тех пор, пока он не достигнет критической массы. По этому принципу была создана бомба Толстяк, сброшенная на Нагасаки. Однако оказалось, что «пушечный» принцип конструкции не может быть использован для плутония из-за высокой интенсивности нейтронов от спонтанного деления изотопа плутоний – 240. Потребовались бы такие скорости сближения двух масс, которые невозможно обеспечить этой конструкцией. Поэтому был предложен второй принцип конструкции атомной бомбы, основанный на использовании явления сходящегося внутрь взрыва (имплозии). В этом случае сходящаяся взрывная волна от взрыва обычного взрывчатого вещества направляется на расположенный внутри делящийся материал и сжимает его до тех пор, пока он не достигнет критической массы. По этому принципу была создана бомба Толстяк, сброшенная на Нагасаки. Pu-239 TNT Pu-239 BANG!

12 12 Первые испытания Первое испытание атомной бомбы было произведено в 5 часов 30 минут 16 июля 1945 года в штате Аломогардо (бомба имплозивного типа на плутонии). Именно этот момент можно считать началом эпохи распространения ядерного оружия. Первое испытание атомной бомбы было произведено в 5 часов 30 минут 16 июля 1945 года в штате Аломогардо (бомба имплозивного типа на плутонии). Именно этот момент можно считать началом эпохи распространения ядерного оружия. 6 августа 1945 г. бомбардировщиком Б-29, носившем имя Энола Гэй, которым управлял полковник Тиббетс, была сброшена бомба на Хиросиму (12–20 кт). Зона разрушений простиралась на 1,6 км от эпицентра и охватывала площадь 4,5 кв. км, 50 % зданий в городе было полностью разрушено. По оценке японских властей число убитых и пропавших без вести составило около 90 тысяч человек, число раненых 68 тысяч. 6 августа 1945 г. бомбардировщиком Б-29, носившем имя Энола Гэй, которым управлял полковник Тиббетс, была сброшена бомба на Хиросиму (12–20 кт). Зона разрушений простиралась на 1,6 км от эпицентра и охватывала площадь 4,5 кв. км, 50 % зданий в городе было полностью разрушено. По оценке японских властей число убитых и пропавших без вести составило около 90 тысяч человек, число раненых 68 тысяч. 9 августа 1945 г. незадолго до рассвета самолет-доставщик (вел самолет майор Чарльз Суини) и сопровождающие его два самолета поднялись с бомбой Толстяком. Город Нагасаки был разрушен на 44 %, что объяснялось горным рельефом местности. 9 августа 1945 г. незадолго до рассвета самолет-доставщик (вел самолет майор Чарльз Суини) и сопровождающие его два самолета поднялись с бомбой Толстяком. Город Нагасаки был разрушен на 44 %, что объяснялось горным рельефом местности.

13 13 "Малыш" (LittleBoy) и "Толстяк" - FatMan

14 14 СССР

15 15 3 области исследования предложенные И.В. Курчатовым выделение изотопа U-235 путем диффузии; выделение изотопа U-235 путем диффузии; получение цепной реакции в экспериментальном реакторе на естественном уране; получение цепной реакции в экспериментальном реакторе на естественном уране; изучение свойств плутония. изучение свойств плутония.

16 16 Кадры Стоявшие перед И. Курчатовым исследовательские задачи были невероятно трудными, но на предварительном этапе планы состояли в том, чтобы создавать скорее экспериментальные прототипы, нежели полномасштабные установки, которые понадобились бы позже. Прежде всего И. Курчатову было нужно набрать команду ученых и инженеров в штат своей лаборатории. Перед тем как выбрать их, он навестил многих своих коллег в ноябре 1942 г. Набор продолжался весь 1943 г. Интересно отметить такой факт. Когда И.Курчатов поднял вопрос о кадрах, НКВД в течении нескольких недель составило перепись всех физиков, имевшихся в СССР. Их оказалось около 3000 включая и учителей преподававших физику.

17 17 Урановая руда Для проведения экспериментов по подтверждению возможности цепной реакции и созданию «атомного котла», необходимо было получить достаточное количество урана. По расчетным оценкам могло понадобиться от 50 до 100 тонн. Для проведения экспериментов по подтверждению возможности цепной реакции и созданию «атомного котла», необходимо было получить достаточное количество урана. По расчетным оценкам могло понадобиться от 50 до 100 тонн. Начиная с 1945 г. Девятое управление НКВД, помогая Министерству цветной металлургии, начало широкую программу геологоразведки для нахождения дополнительных источников урана в СССР. В середине 1945 г. в Германию была направлена комиссия под руководством А. Завенягина для поиска урана, и она вернулась примерно со 100 тоннами. Начиная с 1945 г. Девятое управление НКВД, помогая Министерству цветной металлургии, начало широкую программу геологоразведки для нахождения дополнительных источников урана в СССР. В середине 1945 г. в Германию была направлена комиссия под руководством А. Завенягина для поиска урана, и она вернулась примерно со 100 тоннами.

18 18 Пришлось решать, какой из способов разделения изотопов окажется наилучшим. И. Курчатов разбил задачу на три части: А. Александров исследовал метод термодиффузии; И. Кикоин руководил работами по методу газовой диффузии, a Л. Арцимович изучал электромагнитный процесс. Столь же важным было решение о том, какой тип реактора следует создавать. В Лаборатории 2 рассматривались три типа реакторов: на тяжелой воде, на тяжелой воде, с графитовым замедлителем и газовым охлаждением, с графитовым замедлителем и газовым охлаждением, с графитовым замедлителем и водяным охлаждением. с графитовым замедлителем и водяным охлаждением.

19 19. В 1945 г. И. Курчатов получил первые нанограммовые количества путем облучения в течение трех месяцев мишени из шестифтористого урана нейтронами от радий- бериллиевого источника. Практически в то же самое время Радиевый институт им. Хлопина начал радиохимический анализ субмикрограммовых количеств плутония, полученных на циклотроне, который был возвращен в институт из эвакуации в годы войны и восстановлен. Весомые (микрограммовые) количества плутония появились в распоряжении немного позже от более мощного циклотрона в Лаборатории 2.. В 1945 г. И. Курчатов получил первые нанограммовые количества путем облучения в течение трех месяцев мишени из шестифтористого урана нейтронами от радий- бериллиевого источника. Практически в то же самое время Радиевый институт им. Хлопина начал радиохимический анализ субмикрограммовых количеств плутония, полученных на циклотроне, который был возвращен в институт из эвакуации в годы войны и восстановлен. Весомые (микрограммовые) количества плутония появились в распоряжении немного позже от более мощного циклотрона в Лаборатории 2.

20 20 Советский атомный проект оставался маломасштабным в период с июля 1940 г. по август 1945 г. по причине недостаточного внимания руководства страны к этой проблеме. Первая фаза от создания Урановой комиссии в Академии наук в июле 1940 г. до немецкого вторжения в июне 1941 г. ограничивалась решениями Академии наук и не получила какой-нибудь серьёзной государственной поддержки. С началом войны даже небольшие усилия исчезли. В течение следующих восемнадцати месяцев – самых трудных военных дней для Советского Союза – несколько ученых продолжали думать над ядерной проблемой. Как уже сказано выше получение разведданных заставило высшее руководство вернуться к атомной проблеме. Советский атомный проект оставался маломасштабным в период с июля 1940 г. по август 1945 г. по причине недостаточного внимания руководства страны к этой проблеме. Первая фаза от создания Урановой комиссии в Академии наук в июле 1940 г. до немецкого вторжения в июне 1941 г. ограничивалась решениями Академии наук и не получила какой-нибудь серьёзной государственной поддержки. С началом войны даже небольшие усилия исчезли. В течение следующих восемнадцати месяцев – самых трудных военных дней для Советского Союза – несколько ученых продолжали думать над ядерной проблемой. Как уже сказано выше получение разведданных заставило высшее руководство вернуться к атомной проблеме.

21 21 Двадцатого августа 1945 г. ГKO принял постановление 9887 об организации Специального комитета (Спецкома) для решения ядерной проблемы. Спецком возглавил Л. Берия. По воспоминаниям ветеранов советского атомного проекта, роль Берии в проекте окажется критической. Благодаря контролю над ГУЛАГом Л. Берия обеспечил неограниченное количество рабочей силы заключенных для крупномасштабного сооружения площадок советского атомного комплекса. В состав восьми членов Специального комитета вошли также М. Первухин, Г. Маленков, В. Махнев, П. Капица, И. Курчатов, Н. Вознесенский (председатель Госплана), Б. Ванников и А. Завенягин. В состав Специального комитета входили Технический совет, организованный 27 августа 1945 г., и Инженерно- технический совет, организованный 10 декабря 1945 г.

22 22 Руководство атомным проектом и его координацию осуществляло новое межведомственное, полу – министерство, называемое Первым главным управлением (ПГУ) Совета Министров СССР, которое было организовано 29 августа 1945 г. и которым руководил бывший министр вооружений Б. Ванников, в свою очередь, находившийся под контролем Л. Берии. ПГУ руководило проектом бомбы с 1945 г. до 1953 г. По постановлению Совета Министров от 9 апреля 1946 г. ПГУ получило права, сравнимые с правами Министерства обороны по получению материалов и координации межведомственной деятельности. Были назначены семь заместителей Б. Ванникова, в том числе А. Завенягин, П. Антропов, Е. Славский, Н. Борисов, B. Емельянов и А. Комаровский. В конце 1947 г. М. Первухин был назначен Первым заместителем руководителя ПГУ, а в 1949 г. на эту должность назначили Е. Славского. В апреле 1946 г. Инженерно-технический совет Спецкома был преобразован в Научно-технический совет (НТС) Первого главного управления. НТС сыграл важную роль в обеспечении научной экспертизы; в 40-х гг. им руководили Б. Ванников, М. Первухин и И.Курчатов. Руководство атомным проектом и его координацию осуществляло новое межведомственное, полу – министерство, называемое Первым главным управлением (ПГУ) Совета Министров СССР, которое было организовано 29 августа 1945 г. и которым руководил бывший министр вооружений Б. Ванников, в свою очередь, находившийся под контролем Л. Берии. ПГУ руководило проектом бомбы с 1945 г. до 1953 г. По постановлению Совета Министров от 9 апреля 1946 г. ПГУ получило права, сравнимые с правами Министерства обороны по получению материалов и координации межведомственной деятельности. Были назначены семь заместителей Б. Ванникова, в том числе А. Завенягин, П. Антропов, Е. Славский, Н. Борисов, B. Емельянов и А. Комаровский. В конце 1947 г. М. Первухин был назначен Первым заместителем руководителя ПГУ, а в 1949 г. на эту должность назначили Е. Славского. В апреле 1946 г. Инженерно-технический совет Спецкома был преобразован в Научно-технический совет (НТС) Первого главного управления. НТС сыграл важную роль в обеспечении научной экспертизы; в 40-х гг. им руководили Б. Ванников, М. Первухин и И.Курчатов.

23 23 Е. Славский, которому позднее пришлось руководить советской ядерной программой на уровне министра с 1957 г. по 1986 г., первоначально был введен в проект для контроля за производством сверхчистого графита для экспериментов И.Курчатова с ядерным котлом. Е. Славский был однокурсником А. Завенягина по горной академии и в то время являлся заместителем руководителя магниевой, алюминиевой и электронной промышленности. В дальнейшем Е. Славский был поставлен на руководство теми направлениями проекта, которые были связаны с извлечением урана из руды и его обработкой. Е. Славский, которому позднее пришлось руководить советской ядерной программой на уровне министра с 1957 г. по 1986 г., первоначально был введен в проект для контроля за производством сверхчистого графита для экспериментов И.Курчатова с ядерным котлом. Е. Славский был однокурсником А. Завенягина по горной академии и в то время являлся заместителем руководителя магниевой, алюминиевой и электронной промышленности. В дальнейшем Е. Славский был поставлен на руководство теми направлениями проекта, которые были связаны с извлечением урана из руды и его обработкой.

24 24 Е. Славский был суперсекретным человеком, и мало кто знает, что у него три звезды Героя и десять орденов Ленина. Е. Славский был суперсекретным человеком, и мало кто знает, что у него три звезды Героя и десять орденов Ленина. В таком широкомасштабном проекте не могло обойтись без аварийных ситуаций. Аварии случались часто, особенно в первое время. И очень часто Е. Славский первым шел в опасную зону. Много позже врачи попытались определить сколько именно он набрал рентген. Называли цифру порядка полутора тысяч, т.е. три смертельные дозы. Но он выдержал и прожил до 93 лет. В таком широкомасштабном проекте не могло обойтись без аварийных ситуаций. Аварии случались часто, особенно в первое время. И очень часто Е. Славский первым шел в опасную зону. Много позже врачи попытались определить сколько именно он набрал рентген. Называли цифру порядка полутора тысяч, т.е. три смертельные дозы. Но он выдержал и прожил до 93 лет.

25 25

26 26 Первый реактор (Ф-1) производил 100 условных единиц, т.е. 100 г плутония в сутки, новый реактор (промышленный реактор) – 300 г в сутки, но для этого требовалось загружать до 250 т урана. Первый реактор (Ф-1) производил 100 условных единиц, т.е. 100 г плутония в сутки, новый реактор (промышленный реактор) – 300 г в сутки, но для этого требовалось загружать до 250 т урана.

27 27 Для конструкции первой советской атомной бомбы были использованы попавшие к нам благодаря Клаусу Фуксу и разведке достаточно подробная схема и описание первой испытанной американской атомной бомбы. Эти материалы оказались в распоряжении наших ученых во второй половине 1945 года. Специалистами Арзамаса- 16 потребовалось выполнить большой объем экспериментальных исследований и расчетов, чтобы подтвердить, что информация достоверная. После этого высшим руководством было принято решение изготовить первую бомбу и провести испытание воспользовавшись уже проверенной, работоспособной американской схемой, хотя советскими учеными предлагались более оптимальные конструкторские решения. Такое решение было обусловлено в первую очередь чисто политическими причинами – продемонстрировать как можно скорее обладание атомной бомбой. В дальнейшем, конструкции ядерных боезарядов были сделаны в соответствии с теми техническими решениями, которые были разработаны нашими специалистами.

28 28 Первая советская атомная бомба

29 29 Полученная разведкой информация позволила на начальном этапе избежать тех трудностей и аварий, которые произошли в Лос-Аламосе в 1945 г., например, при сборке и определении критических масс плутониевых полусфер. 29Одна из аварий с критичностью в Лос Аламосе произошла в ситуации когда один из экспериментаторов, поднося к сборке из плутония последний кубик отражателя, заметил по прибору, регистрировавшему нейтроны, что сборка близка к критической. Он отдернул руку, однако кубик упал на сборку, увеличив эффективность отражателя. Произошла вспышка цепной реакции. Экспериментатор разрушил сборку руками. Он умер через 28 дней в результате переоблучения дозой 800 рентген. Всего же к 1958 году в Лос-Аламосе произошло 8 ядерных аварий. Следует отметить, что чрезвычайная засекреченность работ, отсутствие информации создавало благоприятную почву для различных фантазий в средствах массовой информации.