Ок-Ридж
Другим центром по получению материалов для бомбы, кроме Ханфорда, был Ок-Ридж. Здесь были расположены все наши заводы, где ничтожные количества урана-235 отделялись от основного изотопа — урана-238.
В принципе существовало несколько способов для осуществления этого процесса, однако пригодными с точки зрения наших планов оказались только два: электромагнитный и газодиффузионный{19}. Строительство соответствующих заводов было утверждено в конце 1942 г., т. е. почти одновременно с началом строительства плутониевого завода в Ханфорде. В 1944 г. мы решили построить еще один термодиффузионный завод в Ок-Ридже.
Подробная история заводов в Ок-Ридже и тех исследований, в результате которых они были созданы, заняла бы несколько томов. Я постараюсь нарисовать лишь общую картину этого гигантского комбината, известного в те времена [97] под названием Клинтонского инженерного завода, и рассказать об основных трудностях на пути к получению делящихся материалов для бомбы, способной положить конец войне.
Сначала мы решили, что отдельные урановые заводы в Ок-Ридже нужно располагать как можно дальше один от другого, ибо если один из них постигнет катастрофа, другие не пострадают от взрыва или загрязнения. Поэтому электромагнитный и газодиффузионный заводы были расположены в лощинах на расстоянии 27 километров друг от друга. Позднее, однако, когда строился термодиффузионный завод, мы пренебрегли этими соображениями и построили его в непосредственной близости от парогенерирующей станции газодиффузионного завода, чтобы использовать пар максимально высокой температуры.
Электромагнитный завод (его условное название Y-12) занимал площадь около 330 гектаров в юго-восточной части запретного района, недалеко от Ок-Риджа. По количеству рабочих этот завод был самым большим в комбинате. Его строительство было начато (в феврале 1943 г.) и закончено (первая очередь в ноябре 1943 г.) раньше других. В течение года он был единственным действующим заводом, а до 31 декабря 1946 г. оставался единственным, где получали готовый продукт — полностью обогащенный уран, т. е. такой, какой необходим для бомбы.
Электромагнитный процесс был важнейшим звеном Манхэттенского проекта. Назначение процесса состояло в выделении урана-235 из природного урана в количествах и концентрации, достаточных для создания оружия. По своему существу это больше физический, чем химический, процесс, хотя в приготовлении материала химия играла большую роль. В принципе идея метода основана на том факте, что более тяжелый ион описывает в магнитном поле дугу большего радиуса, чем менее тяжелый. Таким путем можно разделить различные изотопы одного элемента.
Чтобы реализовать этот способ в крупных масштабах, пришлось провести колоссальные физические и химические исследования и, кроме того, выполнить множество исследований в сопряженных областях науки, таких, как металлургия, биология и медицина. Мы должны были спроектировать, построить и наладить эксплуатацию громадного завода с оборудованием невероятной сложности, не располагая при этом опытом полупромышленного характера. Идея создания полупромышленной установки из-за недостатка времени была оставлена с самого начала. По этой же причине исследования, проектирование и строительство велись почти одновременно и не могли основываться на каком-либо опыте [98].
Мы никогда не решились бы на столь рискованный эксперимент, если бы не глубочайшее доверие, которое мы испытывали к способностям и энергии Э. Лоуренса. Еще в самом начале атомных работ Лоуренс убедился, что электромагнитное разделение осуществимо, однако его оптимизм мало кто разделял. Этот метод требовал использования огромного количества исключительно сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высокими напряжениями, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Для крупномасштабного производства этот метод казался почти неприемлемым. Дж. Фелбек, руководивший разработкой газодиффузионного процесса по заданию фирмы «Юнион карбайд», однажды сказал, что электромагнитное разделение напоминает ему поиски иголки в стоге сена человеком в боксерских перчатках. Правда, для получения небольших количеств чистого урана-235 пригодность этого метода не вызывала сомнений. Мы все же воспользовались этим методом, ибо надеялись, что он обеспечит нам получение необходимого продукта в больших количествах.
Дальнейшие события подтвердили правильность нашего решения. Только благодаря ему мы смогли получить первые образцы урана-235 для экспериментов в Лос-Аламосе и несколько позднее для бомбы, сброшенной на Хиросиму. Без этого урана мы запоздали бы и с изготовлением плутониевой бомбы.
Еще задолго до начала необходимых исследований и до разработки основного оборудования мы начали проектировать и строить здание завода. Строительство вела фирма «Стоун и Вебстер». За научную разработку процесса отвечала Радиационная лаборатория Калифорнийского университета, возглавляемая Лоуренсом, и, наконец, эксплуатацию завода мы поручили фирме «Истмэн-Кодак», филиал которой «Теннесси Истмэн» имел большой опыт в химических производствах.
Во всей стране было всего три фирмы, которым мы могли, по нашему мнению, доверить изготовление электротехнического оборудования завода. Чтобы не перегружать каждую из них, мы распределили заказы между ними: «Дженерал электрик» поручалось производство электросилового оборудования, «Эллис-Чалмерс» — производство магнитов и «Вестингауз» — производство вакуумных камер.
Создание и эксплуатация такого завода вызвали много новых инженерных проблем, поскольку лабораторные методы обработки граммовых количеств урана нужно было приспособить для обработки тонновых. Успешность операции зависела от согласованности работы ученых, конструкторов, инженеров, строителей и наладчиков. Все привлеченные [100] фирмы имели в Беркли столько своих представителей, сколько им было необходимо. Около 50 ведущих специалистов было переброшено из Беркли в фирму «Теннейси Истмэн». Еще одна большая группа ученых и инженеров из этой лаборатории постоянно находилась в Ок-Ридже, оказывая помощь в установке и наладке оборудования.
Нам с самого начала было ясно, что масштабы и стоимость завода будут гигантскими. Первая очень приблизительная оценка расходов выразилась в сумме порядка 12-17 миллионов долларов. Скоро она увеличилась до 35 миллионов. Эти подсчеты относились, правда, к проекту завода, значительно меньшего, чем тот, который был окончательно построен. В своем первом докладе президенту Рузвельту в начале декабря 1942 г. Военно-политический комитет определил стоимость всего проекта в 400 миллионов долларов.
В то время мы считали, что на электромагнитный процесс из этой суммы придется порядка 100 миллионов. Все эти расчеты были лишь приблизительными, так как никто не имел ясного представления о производительности такого завода и его масштабах. Стоимость сооружения завода за вычетом стоимости необходимого нам серебра, взятого взаймы в государственном казначействе, на 31 декабря 1946 г. составила 304 миллиона долларов. На научные исследования было истрачено 20, на сооружение — 6 и на эксплуатацию — 204 миллиона долларов. Только стоимость электроэнергии составила около 10 миллионов долларов.
Приступай к строительству зданий, мы предполагали, что необходимую степень обогащения урана может обеспечить двухстадийный технологический процесс. Эти отдельные стадии процесса мы назвали альфа — и бета-стадиями. На альфа-стадии исходным продуктом будет естественный уран. Однако степень получаемого здесь обогащения могла оказаться недостаточной для бомбы. Необходимого обогащения мы рассчитывали достичь на второй, бета-стадии. Первоначальная конструкция разделительной установки для альфа-стадии имела вид большого овала, состоящего из 96 магнитов и 96 приемных камер. Почти сразу кто-то из калифорнийских ученых придумал для нее название «рейстрек» (т. е. гоночный трек), которое за ней и закрепилось.
Разделительные установки для бета-стадии должны были работать на продукте, получаемом на альфа-стадии. Конструктивно они должны были напоминать альфа-установки, и поскольку не было твердой уверенности в том, что они нам будут необходимы, мы решили сначала построить установки для альфа-стадии.
В окончательном виде завод Y-12 состоял из пяти альфа-установок (каждая из девяти рейстреков), трех [101] бета-установок с восьмью рейстреками по 36 магнитов, химических и других вспомогательных корпусов. Установки были огромные. Например, два здания для альфа-установок занимали площадь по 18 тысяч квадратных метров каждое; внутри они представляли собой сложнейший лабиринт из труб и другого оборудования. Большая часть оборудования превосходила по масштабам и точности изготовления все, что до сих пор когда-либо разрабатывалось. Многие узлы были созданы заново. Из-за трудностей в снабжении и кадрах, постоянной спешки и перегруженности фирм-поставщиков другими заказами все это уникальное оборудование изготовлялось в тяжелейших условиях.
Сооружение завода таких масштабов в короткие сроки требовало хорошо организованной и четко управляемой армии строителей. Чтобы сформировать такую армию, представители фирмы «Стоун и Вебстёр» опросили около 400 тысяч человек и завербовали во всех концах страны наиболее опытный руководящий персонал.
Фирма «Теннесси Истмэн» начала немедленно обучать свой руководящий персонал методам эксплуатации электромагнитных заводов на экспериментальных установках, уже работавших в Радиационной лаборатории Калифорнийского университета.
Тогда же начался набор эксплуатационного персонала для заводов. Сначала мы считали, что обойдемся штатом в 2500 человек. Но это предположение оказалось грустным свидетельством нашей неспособности предвидеть масштаб и сложность предприятия. На самом деле впоследствии штат завода составил 24 тысячи человек. Основная трудность при наборе обслуживающего персонала состояла в том, что мы не знали наших будущих потребностей в людях. Тем не менее к моменту пуска каждого завода его штат должен был быть укомплектован.
Часто при подготовке обслуживающего персонала приходилось искажать и маскировать смысл будущей работы, с тем чтобы избежать утечки секретной информации.
Вначале при Университете штата Теннеси в Ноксвилле были организованы курсы, которые затем были преобразованы в училище и перенесены сначала в Ок-Ридж, а затем непосредственно на завод. Для удобства обучения и отработки методов эксплуатации во избежание потери драгоценного продукта на альфа-стадии установки бета-стадии некоторое время работали на необогащенном естественном уране.
На протяжении всего строительства и эксплуатации завода Y-12 разнообразие, неожиданность и сложность возникающих проблем требовали от руководителей изобретательности и энергии. Их успешное решение служит [102] подтверждением блестящих качеств ок-риджских руководителей. Одним из труднейших моментов оказалась своевременная и правильная последовательность поставки технологического оборудования. При этом не следует забывать об огромном количестве этого оборудования: гигантских овальных электромагнитов, вакуумных приемных камер, генераторов, вакуумного оборудования, установок по химическому выделению продукта и тысяч других аппаратов. О количестве оборудования дает представление тот факт, что в течение только двух недель было получено 128 вагонов одного лишь электрооборудования. Для хранения прибывающего оборудования в ожидании поступления узлов, которые должны были быть установлены ранее, был построен специальный склад. Особо секретные детали хранились на специальной, строго охраняемой территории в нераспакованном виде вплоть до момента установки.
Монтаж первого рейстрека начался, когда строительство другого крыла здания еще не было закончено. В тот же день, когда была закончена установка мостовых кранов и залита бетонная крыша здания, началась распаковка и установка тяжелых магнитов.
Когда сооружение здания подходило к концу, его площадь была разбита на отдельные сектора, доступ в которые был установлен только по специальным пропускам. Это вызвало поначалу замешательство, однако со временем люди привыкли к ограничениям, и темп работ существенно не снизился.
Одной из серьезных неполадок, с которой мы столкнулись при налаживании оборудования, был выход из строя магнитов. Эти огромные магниты были целиком заключены в толстую сварную оболочку из стали. После длительных догадок и рассуждений о причинах неисправности мы решили вскрыть один из них, надеясь, что визуальное исследование поможет найти дефект. Магнит после этого должен был быть отправлен обратно фирме-изготовителю для устранения дефектов.
По всей вероятности, неисправность была обусловлена неверной конструкцией серебряной обмотки, витки которой располагались слишком близко один от другого, или засорением наполнявшего полость магнита масла. Эти примеси забивались в узкие зазоры между витками, периодически вызывая их замыкание.
Я считал подобные факты совершенно недопустимыми. Конструкция таких ответственных узлов должна была быть более надежной. В задании на изготовление магнитов следовало предусмотреть степень чистоты циркулирующего масла и требование невозможности его засорения при [103] эксплуатации. Самым неприятным было то, что никто из нас и не подумал раньше о серьезных недостатках этой конструкции. Еще более досадным было узнать, что Лоуренс имел подобные неприятности на одном из своих циклотронов.
Когда обнаружили неисправность магнитов, сооружение одного рейстрека было уже закончено, второй — близок к завершению, а монтаж третьего только начался. Мы приняли самые срочные и энергичные меры для исправления положения. Магниты были демонтированы и отправлены в Милуоки для переделки. Массивные серебряные обмотки уложили заново, теперь уже с большим зазором. Был срочно построен специальный завод для травления стали, все стальные патрубки подвергались обработке для полного удаления ржавчины. Затем все детали были собраны с соблюдением самых тщательных мер предосторожности. Все вновь устанавливаемое оборудование впоследствии подверглось аналогичной обработке. Конструкцию магнитов немедленно исправили. В дальнейшем у нас не наблюдалось ни одного случая выхода из строя магнитов.
При общем анализе ситуации мы обнаружили, что саботажник, проникший в состав персонала, легко может подбросить в масло через заправочные люки горсть железных опилок, что выведет из строя секцию рейстрека. Поэтому около этих мест мы немедленно установили посты наблюдения.
Одной из серьезных трудностей, которую мы, как не имевшие ранее дела с такими мощными магнитами, не могли предвидеть, было смещение многотонных камер под влиянием магнитных сил. Камеры, весившие около 14 тонн, сдвигались на расстояние порядка 7-8 сантиметров, что вызывало сильные напряжения в присоединенных к ним трубах. Эта проблема была решена после закрепления камер приваренными к ним толстыми стальными полосами.
Другой неприятностью были запасные детали. Определить потребность в них до эксплуатации завода было невозможно, и поэтому количество тех или иных деталей определялось практически наугад. В результате мы начали быстро испытывать острую нужду во многих деталях, в то время как другие мертвым грузом лежали на складах. Для лабораторных исследований нам требовались некоторые крайне редкие вещества, например самарий, рений, иттрий и другие редкие и редкоземельные элементы. Некоторые из веществ, раньше использовавшихся ограниченно, требовались в больших количествах. Например, только один рейстрек на альфа-стадии потреблял еженедельно до 15 тысяч литров жидкого азота.
Однажды работа одной из камер рейстрека была остановлена: внутрь вакуумной системы попала мышь. Ее [104] присутствие там не позволяло достигнуть необходимого высокого вакуума. После нескольких дней безуспешных поисков неисправности камера была отключена и разобрана. Останки мыши (кусочки шкурки и хвост) объяснили нам причину неисправности, однако как мышь могла попасть в камеру, так и осталось для нас тайной.
Более серьезные неприятности причинила нам птица, однажды севшая на внешнюю электрическую проводку и вызвавшая короткое замыкание сети. Пришлось отключать сеть, а это вызвало перерыв в работе установки на несколько дней.
Были другие причины, вызывавшие перебои в подаче тока — грозы, неисправности выключателей и генераторов, питавших обмотки магнитов, и т. д.
Многие используемые нами материалы были исключительно ценными. Для предотвращения их непроизводительных потерь была установлена строгая отчетность. Такие отходы, как трубы, ветошь, фильтровальные материалы, бумага, резиновые перчатки, одежда, собирали и тщательно сохраняли, с тем чтобы потом извлечь имевшиеся на них ничтожные количества урана, в особенности его изотопа урана-235.
Через каждые четыре недели на установках альфа-стадии и через две — на установках бета-стадии производилась инвентаризация. Проводились исследования по изучению возможных потерь.
В начале 1946 г. был введен еще один метод проверки — «детектор лжи». Он применялся в основном к персоналу, имевшему доступ в химический корпус, где получали окончательный продукт с целью установления кражи урана или осведомленности о такой краже. На первых испытаниях присутствовал сам изобретатель этого прибора, а в дальнейшем нам помогал один из его помощников.
Громадное количество одного из использовавшихся нами драгоценных материалов потребовало проведения особой операции. Летом 1942 г. из предварительных расчетов стало ясно, что нам понадобится огромное количество хорошо проводящего металла для обмоток и шин. Поскольку, однако, потребность оборонной промышленности в меди превышала ее запасы в стране, правительство приняло решение частично заменять медь, где это возможно, серебром из запасов государственного казначейства.
По этому поводу полковник Маршалл посетил второго секретаря казначейства США Д. Белла. Последний заявил, он располагает 47 тысячами тонн свободного серебра и около 39 тысяч тонн серебра, для использования которого нужно разрешение Конгресса. Я говорю здесь о [105] тоннах серебра, хотя мера исчисления этого металла была причиной небольшого забавного инцидента, случившегося с Николсом, когда он во время переговоров упомянул о пяти — десяти тысячах тонн необходимого нам серебра. В ответ он услышал: «Полковник, в казначействе не принято говорить о тоннах. Единицей веса серебра является унция{20}».
По условиям выработанного соглашения необходимое серебро мы должны были получить из хранилищ в Вест-Пойнте и вернуть его обратно через шесть месяцев после окончания войны. Кроме того, было предусмотрено, что прессе об этой операции не будет сообщено и что казначейство сохранит его на своем балансе. За исключением описанного выше мелкого инцидента, все наши взаимоотношения с казначейством носили самый теплый и сердечный характер.
Ни одна из частных фирм по вполне понятным причинам не могла взять на себя ответственность за сохранность такого количества серебра, поэтому Манхэттенский инженерный округ вынужден был взять эту ответственность на себя. Это потребовало создания специальных отдельных подразделений для охраны и учета серебра, учреждения особой инспекции с привлечением квалифицированных консультантов и организации переработки серебра в нужные нам проводники.
Серебряные слитки были переданы нам в Вест-Пойнте по ведомости. Мы доставили их на завод, где из них были отлиты стержни, более пригодные для изготовления из них шин и обмоток. Для обмоток крупных магнитов, потреблявших основное количество серебра, одна фирма изготовила полосы, которые были переданы затем фирме «Эллис-Чалмерс», где их, тщательно изолировав, наматывали на ярмо магнитов.
На всех стадиях обработки серебра специальная охрана Манхэттенского проекта наблюдала за обращением с ним и сопровождала все перевозки. Только перевозку готовых магнитов мы решили не охранять, поскольку серебряные обмотки были скрыты под тяжелой сварной оболочкой из стали. Вскрыть эту оболочку стоило многих трудов, и мы убедились в этом, когда разбирали один из магнитов в Ок-Ридже. Кроме того, мы не имели оснований не доверять работникам железных дорог.
Несмотря на колоссальную стоимость серебра, мы стремились ограничиться лишь самыми необходимыми мерами предосторожности и, принимая эти меры, в первую очередь стремились замаскировать сам факт использования серебра [106].
Для этого применялись кодированные коммерческие документы, в качестве адресатов использовался невоенный персонал и т. д. Естественно, все устные и письменные средства передачи сведений велись в соответствии с установленным порядком обращения с совершенно секретной информацией.
Каждое лицо, связанное с этой деятельностью, подвергалось детальной предварительной проверке, и те, кто не прошел ее, не допускались на территорию, где велись эти работы. Серебро, находившееся в зоне производства, охранялось круглосуточно.
Обычное наблюдение за сохранностью тайны осуществлялось сотрудниками службы безопасности и разведки местного округа инженерных войск. Наблюдение же за всей операцией по использованию серебра велось особой группой сотрудников округа.
Наша система учета серебра была очень сложной, так как должна была отражать все этапы превращения 14 тыс. тонн серебра в различные изделия с точностью до последней унции.
Для организации учета была привлечена одна известная нью-йоркская бухгалтерская фирма, обеспечившая постоянную проверку системы отчетности.
Мы не предпринимали никаких действий по извлечению серебра из отходов до тех пор, пока ожидаемая стоимость извлеченного серебра не оказывалась сравнимой с расходами по его извлечению. Несмотря на это, за все время мы потеряли лишь 35 тысячных процента от полного количества государствённого серебра, оценивавшегося в 300 миллионов долларов.
Электромагнитный процесс создавал ряд специфических трудностей, поскольку уран — это и радиоактивное и ядовитое вещество. Многие из других использовавшихся материалов также доставляли серьезные неприятности при обращении с ними. В производстве широко использовались установки с высокими температурами и давлениями и даже такие опасные вещества, как фосген. В больших количествах применялся жидкий азот, имеющий температуру 196° С ниже нуля. Для производства было характерно использование огромных количеств электроэнергии. Только одна камера, а их было 96 в каждом рейстреке альфа-стадии и 36 в рейстреке бета-стадии, потребляла столько же энергии, сколько крупная радиостанция.
Чтобы гарантировать точное выполнение норм техники безопасности, установленных в инженерных войсках, и заодно подчеркнуть еще раз их важность, я вскоре после начала работ выпустил дополнительную инструкцию по технике безопасности. По этой инструкции о всяком несчастном случае надо было немедленно телеграфом сообщать лично [107] мне, а не позже чем через сутки после этого направлять подробный рапорт с указанием всех деталей и тех мер, которые приняты для предотвращения подобных случаев в будущем.
За все время работы завода произошло восемь несчастных случаев со смертельным исходом. Пять человек были убиты током, один отравлен ядовитым газом, один погиб от ожогов и еще один разбился, упав с большой высоты.
Колоссальные трудности с наладкой оборудования, с устранением неисправностей, борьба за повышение производительности и ликвидацию потерь, неподготовленность обслуживающего персонала, работавшего среди еще не убранного строительного мусора, не смогли помешать фирме «Теннесси Истмэн» успешно справиться с заданием. Первая партия обогащенного урана была отправлена в Лос-Аламос в марте 1944 г., т. е. примерно через год после начала строительства завода. Концентрация этого урана была еще невысокой, но достаточной для экспериментаторов, ожидавших его с нетерпением.
Самый ответственный момент наступил незадолго перед сбрасыванием бомбы на Хиросиму. В письме Оппенгеймеру, датированном 3 июля 1945 г., Николс сообщил о количестве материала, который будет отгружен для Лос-Аламоса к 24 июля. Работа в Ок-Ридже стала еще более лихорадочной, чем обычно, и к назначенному сроку запасы материала даже превысили количество, указанное Николсом.
Химические операции при электромагнитном процессе обычно представляются как вспомогательные по сравнению с грандиозной физической идеей всего проекта. Это далеко не так. Ведь поскольку с химии начинался и химией заканчивался любой процесс разделения урана, эффективность всего производства зависела от химических производств не меньше, чем от физических. Химики-ученые и химики-технологи должны были идти в ногу с новыми открытиями в области физики. Они так же, как и физики, вынуждены были создавать производство, не располагая достаточными данными. Они не могли опаздывать, чтобы не сорвать всей программы. И они, действительно, ни разу нас не подвели.
Газодиффузионный процесс (позднее получивший условное название проект К-25), гигантский по масштабам многоступенчатый метод отделения урана-235 от урана-238, основанный на явлении молекулярной диффузии, был совершенно новым. Он основывался на явлении, заключающемся в том, что если газообразное соединение урана прокачивать через пористую перегородку, то более легкие молекулы, в состав которых входит изотоп урана с атомным весом 235, будут проникать через перегородку быстрее более тяжелых [108] молекул, содержащих уран-238. Основой всего метода была, следовательно, перегородка — пористая тонкая металлическая мембрана, имевшая несколько миллионов микроскопических отверстий на квадратный сантиметр. Эти мембраны сгибали в трубы и помещали в герметическую полость — диффузионную камеру. Когда через каскад таких камер прокачивался газообразный гексафторид урана, последний постепенно обогащался легкой фракцией. Однако разность масс молекул гексафторида урана-238 и урана-235 столь мала, что для достижения заметного обогащения этот процесс надо было повторять тысячи раз.
Основные научные исследования были выполнены лабораторией Колумбийского университета с условным названием СЭМ{21}, которую возглавляли Юри и Даннинг. В ноябре 1942 г. эти исследования были признаны комитетом С-1 следующими по важности после электромагнитного и плутониевого проектов. В следующем месяце был заключен официальный контракт с компанией М. У. Келло на проведение ею научной разработки, проектирования, обеспечения оборудованием и строительства завода по получению урана-235 с производительностью и степенью обогащения, достаточными для создания бомбы. Для удобства и обеспечения секретности эта компания организовала отдельный специальный филиал «Келлекс», которому и была поручена вся работа по проекту. Между «Келлексом» и Колумбийским университетом установилась тесная связь. «Келлекс» получил от университета основные теоретические данные о процессе и на их основе организовал проектирование промышленного предприятия.
Филиал «Келлекс» возглавлял высококвалифицированный инженер Кейт. Первоначально предполагалось поручить «Келлексу» и строительство завода, однако я, учитывая объем необходимых научных проектных работ, воспрепятствовал этому. Контракт на строительство был заключен с фирмой «Джонс компани» из штата Северная Каролина, известной мне ранее отличным исполнением работ для армии. Эксплуатацию предполагалось поручить компании «Юнион карбайд». Общее руководство нашими работами в этой компании осуществляли ее вице-президент Дж. Рэферти и Л. Блисс, а эксплуатацией непосредственно руководил Фелбек.
Мы знали, что потребность в энергии завода К-25 будет высокой. Многие месяцы как до сооружения, так и после сооружения завода мы ошибочно были убеждены, что если подача электроэнергии прекратится хотя бы на долю секунды, то завод нельзя будет пустить снова в течение 109 многих дней. Некоторые называли даже срок порядка двух с половиной месяцев. Как оказалось впоследствии, это предположение было неправильным. Тем не менее все наши проекты были построены с его учетом. В частности, по этой причине мы не решились полагаться только на гидроэлектростанцию Теннеси, линия передачи которой получалась довольно длинной и, следовательно, подверженной различным случайностям. Дополнительно в Ок-Ридже была построена специальная тепловая электростанция, которая попутно удовлетворяла еще, правда, не столь большую потребность завода в электроэнергии нестандартной частоты. Использование тока нестандартной частоты было довольно частым явлением на заводах Манхэттенского проекта. Мы не могли идти на облегчение задачи, используя оборудование, рассчитанное на использование тока стандартной частоты, так как это означало бы риск.
Для защиты нашего энергоснабжения от случайностей электроэнергия от теплоэлектроцентрали к газодиффузионному заводу подавалась по подземному кабелю. Несмотря на эти предосторожности, один случай вредительства все-таки был. Форма его, правда, была одной из примитивных: в резиновую оболочку силового кабеля был забит гвоздь. Преступника нам так и не удалось найти. Вероятнее всего, это было сделано каким-то озлобленным рабочим.
Основная трудность при строительстве этого завода, которую мы не могли устранить почти до конца 1944 г., была связана с изготовлением материала для мембран, являвшихся основой всего процесса. Задержка с получением этого материала мешала нам монтировать оборудование завода. Чтобы дать представление о степени этой неприятности, достаточно сказать, что на строительство и заказ специального оборудования уже было израсходовано 200 миллионов долларов, а еще никто не знал, сможем ли мы располагать достаточным количеством материала для мембран. Все же, несмотря на такую серьезную опасность, мы форсировали строительство крупнейшего в истории завода, одни только помещения которого занимали площадь более четырех тысяч гектаров.
Первое успешное разделение изотопов урана методом газовой диффузии было осуществлено в Колумбийском университете в январе 1942 г., а первая большая лабораторная установка была собрана лишь к октябрю. Мембрана этой установки была не больше серебряной монеты в один доллар. Для испытания отдельных узлов завода впоследствии строили различные опытные установки, однако полная полупромышленная модель завода так и не была создана. Ок-риджский завод был уникальным в этом отношении. Его [110] проект был создан на основе опыта эксплуатации установки с мембранной площадью меньше 13 квадратных сантиметров. Однако ценность даже этого опыта стала очень сомнительной, когда обнаружилось, что использованный в опытной установке материал не удастся применить в условиях завода. Основная заслуга компании «Юнион карбайд» в период проектирования и строительства завода заключалась как раз в разработке удовлетворительного материала для мембран и в организации его массового производства через десять месяцев после создания.
Проблема разработки и изготовления насосов для прокачивания газа через диффузионные секции была решена компанией «Эллис-Чалмерс». Кейт буквально | обшарил всю промышленность США и пришел к выводу, что единственной нашей надеждой может быть только эта компания. При первом разговоре ее представители не были склонны браться за работу главным образом из-за перегруженности другими военными заказами. Тогда Кейт попросил нескольких специалистов из «Юнион карбайд» и меня поехать в Милуоки, чтобы убедить «Эллис-Чалмерс» принять наш заказ. Эта компания уже участвовала в работах проекта, занимаясь производством гигантских магнитов для электромагнитного завода, и ее президент весьма нежелательно отнесся к нашим новым просьбам. Но, в конце концов, он дал согласие на переговоры с главным инженером. Каково же было наше удивление, когда главный инженер заявил о возможности выполнения этого заказа: компания уже производила насосы такого типа, правда, несколько меньшей мощности. Договор компания выполнила безупречно.
На обратном пути из Милуоки нам пришлось провести ночь в Чикаго. В номере гостиницы мы горячо обсуждали очередную важную проблему: как предотвратить опасность выхода из строя одной из многих секций. Следя за дискуссией, я выразил недоумение: почему нельзя просто отключить вышедшую из строя секцию. Разница в составе газа в двух соседних секциях должна была быть ничтожно малой, поэтому я не понимал, как могут последующие секции «почувствовать» отключение одной из предыдущих. Вопрос, заданный как бы невзначай, на самом деле тут же подсказал ответ. Этот случай является примером часто возникающей ситуации, когда правильное решение приходит в голову постороннему, а не тому, кто долго бьется над ним.
Чтобы уменьшить последствия коррозии, мы предполагали изготовлять все трубопроводы общей длиной в сотни километров из чистого никеля. «В этом случае, — указал К. Килер, руководитель компании «Крейслер», которая должна была изготовлять диффузионные секции, — наши [111] потребности в никеле превысят его мировую добычу». Он настаивал на толстом (до 10 сантиметров) никелевом покрытии. Беспрецедентная сама по себе задача покрытия толстым слоем никеля внутренней поверхности труб была решена одной небольшой фирмой в Белльвилле (штат Нью-Джерси). Эта фирма изобрела оригинальный способ никелирования, при котором в качестве электролизера использовалась сама труба. Для получения однородного покрытия труба во время процесса вращалась. Изобретательность этой фирмы избавила нас от крайне сложной проблемы.
Нам были необходимы приборы для регистрации различных изотопов одного и того же химического элемента. Это требование было также беспрецедентным в истории науки. Кроме того, существовала еще проблема регулирования потока газа внутри очень чувствительной к колебаниям давления системы огромной протяженности. Меня эта опасность волновала меньше, чем других, и, вероятно, потому, что я подходил к ней как инженер, а не как теоретик. Мнение многих английских ученых было крайне пессимистическим. Практически нельзя добиться такой регулировки потока, при которой бы не возникали колебания и внутренние возмущения в системе, — считали одни. Образующиеся в результате этих возмущений волны будут сильно снижать эффективность установки и даже смогут повредить мембраны. Другие прямо заявляли, что установка не сможет работать.
Нам нужно было быть абсолютно уверенными в том, что в трубопроводах протяженностью в сотни километров, особенно в местах их сварки, течь воздуха внутрь системы будет не больше, чем через отверстие от булавки. Эту задачу решили инженеры промышленных фирм. Применение усовершенствованного гелиевого течеискателя позволило устанавливать свищи в каждом отрезке системы труб еще до ее монтажа. Мы не могли допустить даже малейшей негерметичности системы, поэтому пришлось разработать новые методы сварки. Как только важность абсолютной герметичности всей системы стала для нас очевидной, мы не останавливались ни перед чем, чтобы достичь ее. В частности, были организованы специальные курсы для сотрудников фирм, связанных с изготовлением оборудования для завода К-25 или его эксплуатацией.
Весьма серьезный вопрос, связанный с газодиффузионным заводом, возник, когда научный совет по технике безопасности предупредил нас о возможности случайного взрыва делящегося материала при скоплении его где-либо внутри системы. Этим опасениям было уделено самое пристальное внимание, хотя лично я сомневался в их оценке [112] этой опасности. Меня поддержали Николс, Конэнт и Толмен. Совет, по нашему мнению, преувеличивал опасность. После обсуждения этого вопроса еще с Фелбеком и Кейтом мы решили игнорировать мнение совета.
Очистка оборудования перед его установкой имела решающее значение, поэтому мы стремились производить ее по нормам, принятым в хирургии. Она состояла в полном удалении с изделий грязи, жира, окиси, окалины и других посторонних примесей. Присутствие любой из них, даже в ничтожных количествах, могло привести к полному провалу всей программы.
Методы очистки были разработаны компанией «Крейслер». Каждый из этих методов был известен и раньше, но применение их всех в определенной комбинации и последовательности было совершенно необычным. В зависимости от типа деталей применялось до десяти операций очистки. Некоторые детали очищались на фабрике под наблюдением сотрудников филиала «Келлекс». Большую часть их, однако, надо было очищать непосредственно перед монтажом, и поэтому на заводе К-25 пришлось построить специальный цех очистки.
Наряду с тщательной очисткой деталей и узлов оборудования общие требования к чистоте при монтаже были столь строги, что поначалу они даже мешали темпам строительства. Все рабочие перед входом в соответствующие здания должны были переодеваться в чистую одежду. Первое время этому требованию должны были подчиняться все без исключения. Мы должны были подчиняться этому правилу, даже если просто выходили погулять на несколько минут.
Делалось все возможное, чтобы полностью избавиться от грязи и пыли. Для уборки помещений вместо метел и тряпок применяли пылесосы и мокрые губки. Однако в дальнейшем по мере накопления опыта строгость этих норм оказалось возможным несколько ослабить.
При составлении графика строительства мы наметили пять основных этапов: 1) сооружение одной секции в главном каскаде; 2) окончание сооружения целого производственного корпуса; 3) сдача в эксплуатацию значительной части всего завода, позволяющей получать слегка обогащенный материал (сроком для третьего этапа, принятым 1 января 1944 г., мы назначили 1 января следующего года);
4) окончание строительства остальных корпусов завода, что должно было обеспечить получение максимального количества урана-235 для его использования в первой бомбе;
5) окончание строительства всего завода и достижение его проектной мощности [113].
Получить слегка обогащенный уран к 1 января 1945 г. не удалось. Зато остальные намеченные задачи были выполнены точно в срок{22}.
В том виде, в каком газодиффузионный процесс был осуществлен, он представлял полностью американское достижение. Англичанам были сообщены только некоторые общие его характеристики. Следует напомнить, что первые работы в этом направлении начались в Англии, хотя они и не вышли за пределы теории и лабораторных экспериментов.
Весной 1942 г. в США было проведено несколько предварительных конференций с участием представителей Англии: Эйкерса, Саймона и Пайерлса, на которых обсуждались основные закономерности метода газовой диффузии и возможные типы производственных установок. Однако английская точка зрения на проект завода сильно отличалась от нашей, как и предлагаемые ими методы и оборудование. По этим причинам обсуждение не могло иметь для нас сколько-нибудь серьезного значения.
Осенью 1943 г, англичане прислали в США группу ученых и инженеров для ознакомления с нашими планами работ по газодиффузионному методу. Они пробыли у нас с сентября до конца 1943 г., изучив в деталях наши проекты, и не согласились с тем путем, который мы избрали. По мнению большинства наших специалистов, это объяснялось тем, что наш проект был основан не на их теоретических разработках. Проблема выбора материала для мембран обсуждалась с англичанами также во всех деталях, однако это не повлияло на наш выбор.
В декабре 1943 г. англичане предложили рассмотреть возможность осуществления кругового цикла, т. е. направления полученного продукта вновь в первую секцию каскада. Теоретически такое предложение выглядело очень привлекательно, так как оно позволяло существенно сократить число секций. Однако оно было связано с повышением требований к мембранам, которые к тому времени, несмотря на годы исследований, так и не были разработаны. Это предложение сильно усложняло конструкцию конвертора и эксплуатацию отдельных секций.
Я категорически возражал против любых серьезных изменений в проекте, ибо это задержало бы строительство завода [114].
Английская группа предложила также проект завода в виде каскада каскадов. По этому проекту завод должен состоять не из одного длинного каскада, а из нескольких частей, каждая из которых представляет отдельный каскад, определенным образом соединяющийся с соседними частями. Такая схема была слишком сложна и поэтому имела ряд недостатков. Американский вариант проекта казался нам вполне удовлетворительным. Мы, правда, изучили предложения англичан во всех деталях, чтобы убедиться в правильности нашего решения. Обсуждение с ними вопросов конструкции завода было особенно полезно для поисков способов регулирования и ликвидации нарушений в режиме эксплуатации завода.
Англичане вносили и другие предложения, но ни одно из них не было принято. Основная польза от этих предложений сводилась к стимулированию мышления и деятельности инженеров «Келлекса».
С февраля по май 1944 г. несколько ученых из английской группы оказали нам некоторую помощь в решении некоторых теоретических вопросов. Это были Пайерлс, Киртон, Скайрн и Фукс. Они жили в Нью-Йорке и пользовались правом разъезжать по всей стране.
Я уже упоминал, что первым процессом разделения урана, с которым я познакомился после моего назначения, был процесс жидкостной термодиффузии. Процесс происходит в колонне, представляющей собой длинную вертикальную трубу, охлаждаемую снаружи и содержащую внутри нагретый цилиндр. Эффект разделения изотопов в такой колонне обусловлен тем, что более легкая фракция накапливается у горячей поверхности внутреннего цилиндра и движется вверх вследствие закона конвекции.
С практической точки зрения этот метод не годился в качестве основного, поскольку он требовал громадного количества пара, По грубым минимальным подсчетам стоимость такого производства достигала сумм порядка двух миллиардов долларов, но и она не казалась мне достоверной. Я лично бы увеличил ее до трех миллиардов, если бы пришлось осуществлять этот процесс. Масштабы исследовательских работ, проведенных в этом направлении Абельсоном, хотя и на достаточном научном уровне, были весьма ограничены.
Он начал свои работы в Институте Карнеги в Вашингтоне и уже летом 1941 г. добился получения некоторого количества урана-235. Интерес военно-морского флота к его работам был связан с надеждой на получение нового источника энергии. Поэтому военно-морской флот сразу стал поддерживать его исследования сначала в Институте Карнеги, а [115] затем предоставил ему возможность работать в своей исследовательской лаборатории. Здесь эти работы велись в течение ряда лет.
ОСРД, а впоследствии МЕД, внимательно следили за развитием работ Абельсона. Сам способ и результаты неоднократно обсуждались компетентными научными совещаниями. Никто из участников не был, однако, особенно восхищен возможностями этого метода.
Тем не менее в июне 1944 г. Оппенгеймер высказал предположение, что метод термодиффузии было бы неплохо применить на первой стадии разделения для получения слегка обогащенного продукта, который затем использовать в качестве исходного материала на других заводах. Насколько мне известно, Оппенгеймер был первым, кто оценил преимущества такого приема. Я не колеблясь решил, что эта идея достойна того, чтобы испытать ее на практике.
Почему никто об этом не подумал раньше, я затрудняюсь сказать. Вероятно, это произошло потому, что, когда мы изучали метод термодиффузии, мы рассматривали его в качестве единственного, забывая о возможности комбинирования различных процессов. Подобный шаг был сделан позднее, когда мы решили ограничить степень обогащения продукта газодиффузионных заводов и использовать его как исходный материал для бета-стадии электромагнитного способа.
Если бы я раньше разглядел возможности термодиффузии, мы быстрее применили бы этот метод, потратили бы на строительство завода немного больше времени, но зато он был бы мощнее и лучше. Это наверняка положительно повлияло бы на уровень производства урана-235 в июне и июле 1945 г. Помогло бы это закончить войну раньше, я не могу утверждать, однако никак не могло повлиять на срок испытания в Аламогордо, поскольку там была использована бомба имплозионного (взрывного) типа из плутония. Даже в том случае, если бы производительность уранового завода была к тому моменту выше, мы не смогли бы пойти на использование урана-235 при испытаниях.
Через несколько дней, после того как Оппенгеймер высказал свое предложение, мы приступили к его реализации. В то время военно-морской флот уже строил полупромышленную установку на своей верфи в Филадельфии. Она была почти готова, и методы ее эксплуатации отработаны.
Чтобы в предельно короткий срок запустить подобный этой установке большой завод, мы решили поручить всю эту операцию фирме «Фергюсон», и 26 июня 1944 г. в день, когда договор с ней был подписан, адмирал Кинг по моей просьбе приказал передать ей все планы работ флота [116].
Для облегчения проектирования и строительства я приказал, чтобы все основные производственные узлы нашего завода были копиями филадельфийской установки. Много времени мы сэкономили, использовав черновые эскизы вместо принятых детальных чертежей.
В спешке выбирали возможные места размещения завода, упоминался Детройт, однако мы остановились на Ок-Ридже, решив построить завод по соседству с тепловой электростанцией завода К-25. Такое расположение сочетало преимущество использования уже имевшихся резервов пара с близким расположением к заводу К-25, который должен был работать на продукте термодиффузионного завода.
Кроме того, мы стремились не строить новых закрытых объектов на новых территориях. Это производство получило секретное кодовое наименование S-50.
Когда был решен вопрос о месте строительства нового завода, компания «Юнион карбайд» выразила опасение, указав на возможность взрыва пара высокого давления, которым должен был снабжаться этот завод, и на последствия такого взрыва для работы завода К-25. Они также опасались, что промышленная вода электростанции окажется зараженной продуктом завода S-50, что может вызвать нарушение работы электростанции.
Опасности разрушительного взрыва пара я не придавал большого значения, а чтобы исключить возможность загрязнения воды, мы предусмотрели ряд контрольно-регулирующих устройств. Основным оборудованием завода были колонны, объединявшиеся в каскады (по 102 колонны), которые мы называли решетками. Колонна представляла собой вертикальный цилиндр высотой 15 метров и состояла из никелёвой трубы, проходящей внутри медной трубы большего диаметра. Медная труба с внешней стороны была окружена водяной рубашкой. Колонны располагали тремя группами, в каждой по семи решеток, что составляло в сумме 2142 колонны. Колонны лаборатории военно-морского флота были нестандартными и количество их было невелико. Компания «Фергюсон» должна была, однако, организовать их массовое производство. Было запрошено около 20 фирм, но ни одна из тех, кому можно было доверить производство колонн, не согласилась выполнить заказ. В конце концов, две фирмы согласились попробовать. Преодолев ряд серьезных трудностей, они смогли разработать метод производства, позволявший изготовлять до 50 колонн в день. 5 июля, т. е. через девять дней после заключения контракта, компания «Фергюсон» направила заказ на первую партию колонн, а 9 июля уже началась расчистка площадки под строительство завода [117].
В августе началась стажировка обслуживающего персонала в исследовательской лаборатории военно-морского флота, а в сентябре произошел мощный взрыв на полупромышленной установке, при котором пострадало несколько человек и были разрушены многие узлы. Мы были убеждены, что взрыв произошел по не зависящим от нас причинам (как оно впоследствии и оказалось), но это событие требовало тщательного расследования и, конечно, несколько задержало работу.
Необходимость иметь готовый продукт как можно раньше диктовала нам суровые сроки строительства. Даже срок в шесть месяцев для сооружения главного производственного корпуса казался многим оптимистическим, а я отвел на строительство 120 дней. При строительстве этого завода мы пользовались высшими льготами как в снабжении, так и во всех остальных областях. Монтажники, трубопроводчики, сварщики, электрики, плотники и эксплуатационный персонал бок о бок в бешеном темпе работали на смежных участках. Как только такелажники устанавливали колонну на место и монтажники заканчивали ее сборку, она тут же испытывалась под давлением и подвергалась очистке силами эксплуатационного персонала. Через 69 дней после начала строительства третья часть завода была закончена и началась его пробная эксплуатация. К концу октября колонны выдали первую партию продукта, а в июне следующего года завод достиг расчетной максимальной мощности.
Сначала эксплуатация завода не ладилась. Серьезно мешали полное отсутствие опыта эксплуатации полупромышленной установки, нехватка подготовленного персонала и, как неожиданно выяснилось, недостаточное количество пара. Нас преследовали утечки рабочего материала и пара высокого давления. Лишь к январю 1945 г. удалось полностью справиться со всеми трудностями.
Использование пара высокого давления (до 60 килограммов на квадратный сантиметр) было рискованным предприятием, особенно если учесть, что оборудование изготовлялось и монтировалось в такой спешке. Мешавших нам течей удалось бы наверняка избежать, если бы мы имели больше времени на работу над проектом.
На одной решетке из-за ее спешной сборки была особенно сильная утечка пара высокого давления. Образовывавшиеся облака пара и шум сильно затрудняли работу обслуживающего персонала. Мы, однако, не останавливали эту часть завода, несмотря на условия, которые в обычное время требовали бы немедленного прекращения производства, [118]
Лишь только тогда, когда завод достиг максимальной проектной мощности, мы отключили эту решетку для ремонта.
К октябрю стало очевидным, что через соединения нА-верху и у основания колонн уходит слишком много пара. Поэтому мы решили заменить все резьбовые соединения сварными. К январю все решетки были уже переоборудованы и вновь готовы к производству.
По мере ввода в эксплуатацию различных заводов Ок-Риджа нас все больше начинал волновать вопрос о способе их наиболее эффективного использования.
Вся проблема в целом была крайне сложна не только из-за постоянно менявшейся производительности и степени обогащения отдельных установок, но и из-за того, что продукт одного процесса служил исходным материалом другого и это соотношение могло также меняться. Кроме того, по мере ввода в строй дополнительного оборудования, а начиная с весны 1945 г. это происходило почти ежедневно, производительность также увеличивалась, что в свою очередь влияло на эффективность установок, работавших на обогащенном материале. Мы знали, что в процессе эксплуатации можно повысить производительность, но результаты нам трудно было предвидеть.
Поскольку правильное решение этой задачи имело определяющее значение для успеха всего предприятия, я попросил Николса сосредоточить максимум внимания на ее решении. Для этого он в декабре 1944 г. организовал специальную группу из ученых и инженеров, в основном офицеров или мобилизованных в армию, во главе с майором Питерсоном, задача которых состояла в выработке оптимального плана эксплуатации заводов с учетом изменений всех характеристик отдельных процессов.
Эта группа приступила к работе, когда точное количество урана-235, необходимого для создания бомбы, было еще неизвестно. Питерсон неоднократно обсуждал с Оппенгеймером вопрос о важности количества необходимого материала и степени его обогащения. В результате степень обогащения была установлена. Под руководством Питерсона группа смогла также разработать наилучший вариант использования электромагнитных, газодиффузионного и термодиффузионного заводов. Составленный ими план непрерывно изменялся по мере повышения производительности и изменений сроков ввода в строй новых объектов.
К маю 1945 г. стало очевидно, что сделанные еще до Ялтинской конференции расчеты были правильными и что в конце июля мы уже будем иметь достаточное количество урана для создания одной бомбы.
После тщательного анализа ситуации совместно с [119] Николсом, Питерсоном и Оппенгеймером день 24 июля был установлен в качестве предельного срока{23}.
К концу этого дня достаточное (даже несколько большее) количество урана было отправлено в Лос-Аламос для изготовления первой бомбы, предназначенной для Японии.