« Тонкий человек » было кодовым названием предлагаемой плутониевой ядерной бомбы пушечного типа , которую Соединенные Штаты разрабатывали во время Манхэттенского проекта . Его разработка была прекращена, когда было обнаружено, что скорость самопроизвольного деления плутония, полученного в ядерном реакторе, слишком высока для использования в конструкции пушечного типа из-за высокой концентрации изотопа плутония-240 в плутонии, производимом на инженерном заводе Клинтона. .
В 1942 году, до того как армия Соединенных Штатов взяла на себя контроль над атомными исследованиями военного времени в рамках так называемого Манхэттенского проекта , Роберт Оппенгеймер провел конференции в Чикаго в июне и в Беркли, Калифорния, в июле, на которых физики обсуждали вопросы конструкции ядерной бомбы. Была выбрана конструкция пушечного типа , в которой две субкритические массы плутония соединялись путем выстрела «пулей» в «мишень». [1] Альтернативная идея ядерного оружия имплозивного типа была предложена Ричардом Толманом , но она не привлекла особого внимания, поскольку была гораздо более сложной. [2]
Оппенгеймер рассмотрел свои варианты в начале 1943 года и отдал приоритет оружию пистолетного типа, [2] но в качестве защиты от угрозы преддетонации он создал группу Е-5 в лаборатории Лос-Аламоса под руководством Сета Неддермейера для исследования имплозии. . Было установлено, что бомбы имплозивного типа значительно более эффективны с точки зрения мощности взрывчатого вещества на единицу массы делящегося материала в бомбе, поскольку сжатые делящиеся материалы реагируют быстрее и, следовательно, более полно. Но было решено, что основная часть исследовательских работ будет направлена на создание плутониевой бомбы пушечного типа, поскольку это был проект с наименьшей степенью неопределенности. Предполагалось, что из него можно будет легче адаптировать урановую бомбу пушечного типа. [3]
Конструкции пистолетного и имплозивного типа имели кодовые названия «Тонкий человек» и « Толстяк » соответственно. Эти кодовые имена были созданы Робертом Сербером , бывшим студентом Оппенгеймера, работавшим над Манхэттенским проектом. Он выбрал их, основываясь на их дизайнерской форме; «Тонкий человек» будет очень длинным устройством, а название пришло из детективного романа Дэшила Хэммета «Тонкий человек» и одноименной серии фильмов . Толстяк был круглым и толстым и был назван в честь персонажа Сиднея Гринстрита в «Мальтийском соколе» . Дизайн уранового пистолета Little Boy появился позже и был назван только для контраста с Thin Man . [4] Кодовые названия «Тонкий человек» и «Толстяк» Лос-Аламоса были приняты ВВС США (USAAF). Была придумана легенда о том, что Silverplate рассказывает о модификации автомобиля Pullman для использования президентом Франклином Рузвельтом (Тонкий человек) и премьер-министром Соединенного Королевства Уинстоном Черчиллем (Толстяк) во время секретного тура по Соединенным Штатам. [5] Персонал ВВС использовал кодовые имена по телефону, чтобы создать впечатление, будто они модифицируют самолет для Рузвельта и Черчилля. [6]
Для работы над конструкцией плутониевой пушки Оппенгеймер собрал в Лос-Аламосской лаборатории команду, в которую входили старший инженер Эдвин Макмиллан и старшие физики Чарльз Кричфилд и Джозеф Хиршфельдер . Кричфилд работал с башмаками , которые, по мнению Оппенгеймера, потребуются Тонкому Человеку для достижения высоких начальных скоростей, необходимых для критической сборки ; Хиршфельдер работал над внутренней баллистикой . Оппенгеймер сам руководил разработкой до июня 1943 года, когда прибыл капитан ВМС США Уильям Стерлинг Парсонс и взял на себя управление артиллерийским и инженерным отделом и непосредственное руководство проектом «Тонкий человек». [7]
Эти четверо создали и испытали все элементы конструкции «Тонкого человека» в период с апреля 1943 по август 1944 года. Парсонс, разработавший неконтактный взрыватель для ВМФ, руководил подразделением и поддерживал связь с другими агентствами. В качестве главы группы по снарядам, мишеням и источникам Е-6 Кричфилд рассчитал критические массы и ввел систему живых испытаний с использованием масштабных моделей с использованием 20-мм пушек и 3-дюймовых орудий . Их было легко и легко получить, в то время как на производство полномасштабных трубок «Тонкого человека» уходили месяцы. [8] Провести испытания с плутонием не удалось, так как его еще не было в наличии. Действительно, реальные физические характеристики металла в то время были не более чем обоснованными предположениями. [9]
Хиршфельдер возглавлял группу внутренней баллистики E-8. Его группа проводила математические расчеты, но ему также предстояло найти подходящий порох , воспламенитель и капсюль . Его группа провела полномасштабные испытания своих селекций. [10] Определение физического размера бомбы оказалось важным, когда дело дошло до выбора подходящего самолета для ее перевозки. [9] Группа Е-8 оценила начальную скорость орудия примерно в 3000 футов в секунду (910 м/с), что близко к максимально достижимому в 1944 году, [11] и рассчитала, что давление в стволе будет повышенным. до 75 000 фунтов на квадратный дюйм (520 000 кПа). [9]
Хотя конструкторы оружия считали, что просто собрать критическую массу будет достаточно, Сербер предложил, чтобы конструкция также включала инициатор . Инициатор полоний-210 - бериллий был выбран потому, что полоний-210 имеет период полураспада 140 дней , что позволяло хранить его в запасах, и его можно было получить из природных руд из Порт-Хоупа, Онтарио . Оппенгеймер потребовал, чтобы он также производился в графитовом реакторе X-10 на инженерном заводе Клинтона в Ок-Ридже, штат Теннесси , или, когда они станут доступны, в реакторах на инженерном заводе Хэнфорда в штате Вашингтон . [12]
Проект «Тонкий человек» был ранним проектом ядерного оружия, предложенным до того, как плутоний был успешно получен в ядерном реакторе путем облучения урана-238 . Предполагалось, что плутоний, как и уран-235 , можно собрать в критическую массу пушечным методом , заключающимся в стрельбе из одного подкритического куска в другой. Чтобы избежать преддетонации или « вспыхивания », плутониевую «пулю» необходимо будет разогнать до скорости не менее 3000 футов в секунду (910 м/с), иначе реакция деления начнется до того, как сборка будет завершена, взорвав плутониевую пулю. устройство разобрать преждевременно. [11]
Тонкий Человек имел длину 17 футов (5,2 м), ширину хвоста и носа 38 дюймов (97 см) и среднюю часть 23 дюйма (58 см). Длина была необходима для того, чтобы плутониевая «пуля» достигла достаточной скорости до достижения «мишени». Вес последней модели оружия составлял примерно 8000 фунтов (3600 кг). [13] В арсенале USAAF не было самолета, который мог бы нести «Тонкого человека» без модификации, и в 1943 году Норман Рэмси предложил британский Avro Lancaster как единственный самолет, который мог нести «Тонкого человека» внутри помещения из-за его 33-футовой высоты. длинный (10 м) бомбоотсек. [14] Однако американский Boeing B-29 Superfortress можно было модифицировать для его перевозки, удалив часть переборки под основным лонжероном крыла и несколько кислородных баков, расположенных между двумя бомбовыми отсеками. [15] Эта модификация была осуществлена на 58-м серийном экземпляре производственной линии Boeing Wichita, серийный номер AAF 42-6259. [16]
Хотя Рэмси предложил «Ланкастер», глава ВВС США генерал-лейтенант Генри Х. Арнольд отверг это предложение, отдав предпочтение американскому типу, в частности B-29. Прежде чем сбросить испытания макетов бомб «Тонкий человек» и «Толстяк», бригадный генерал Лесли Гроувс , директор Манхэттенского проекта, предложил использовать «Ланкастер» для испытаний, поскольку B-29, хотя и находился в производстве, все еще был в дефиците. [17] И снова Арнольд отклонил это предложение, поскольку он вложил много времени и денег в разработку B-29. [18]
Большая длина бомбы «Тонкого человека» привела к аэродинамической нестабильности. Немасштабные модели бомбы были сброшены с самолета Grumman TBF Avenger на полигоне ВМС США в Дальгрене, штат Вирджиния, начиная с августа 1943 года . [19] Бомбы вращались вбок после падения и разваливались при ударе о землю. [20] В марте 1944 года было проведено двадцать четыре сброса, прежде чем они были сняты с производства, чтобы можно было внести улучшения в «Тонкий человек». Бомбы не сработали немедленно, что помешало калибровочным испытаниям. В последнем испытательном полете серии 16 марта 1944 года «Тонкий человек» был преждевременно выпущен, когда B-29 все еще находился на пути к полигону, и упал на двери бомбового отсека, серьезно повредив испытательный самолет. . [13] Модифицированные механизмы буксирного крюка планера, используемые для подвешивания бомбы в бомбоотсеке, вызвали все четыре неисправности из-за большого веса бомб. Они были заменены британскими одноточечными креплениями типа G и фиксаторами типа F, которые использовались на Lancaster для перевозки бомбы Tallboy массой 12 000 фунтов (5 400 кг) . [21]
Возможность создания плутониевой бомбы была поставлена под сомнение в 1942 году. 14 ноября Джеймс Конант услышал от Уоллеса Эйкерса , директора проекта British Tube Alloys , что Джеймс Чедвик «пришёл к выводу, что плутоний не может быть практичным расщепляющимся материалом для оружия из-за примеси». [22] Конант проконсультировался с Эрнестом Лоуренсом и Артуром Комптоном , которые признали, что их ученые в Беркли и Чикаго соответственно знали о проблеме, но не могли предложить готового решения. Конант проинформировал директора Манхэттенского проекта бригадного генерала Лесли Р. Гроувса-младшего , который, в свою очередь, собрал специальный комитет, состоящий из Лоуренса, Комптона, Оппенгеймера и Макмиллана, для изучения этого вопроса. Комитет пришел к выводу, что любые проблемы можно решить, потребовав более высокой чистоты. [23]
В апреле 1944 года эксперименты Эмилио Дж. Сегре и его группы P-5 в Лос-Аламосе с плутонием, полученным в графитовом реакторе X-10, показали, что плутоний содержит примеси в виде изотопа плутоний -240 . Он имеет гораздо более высокую скорость спонтанного деления , чем плутоний-239 . Материал , произведенный на циклотроне , на котором были проведены первоначальные измерения, содержал гораздо меньше следов плутония-240. Его включение в реакторный плутоний казалось неизбежным. Это означало, что скорость спонтанного деления реакторного плутония была настолько высокой, что весьма вероятно, что он взорвется и взорвется на части во время первоначального образования критической массы. [24] Расстояние, необходимое для ускорения плутония до скоростей, при которых преддетонация будет менее вероятной, потребует слишком длинного ствола для любого существующего или планируемого бомбардировщика. Единственным способом использовать плутоний в работоспособной бомбе была имплозия — гораздо более сложная инженерная задача. [25]
Невозможность создания бомбы пушечного типа с использованием плутония была согласована на совещании, состоявшемся 17 июля 1944 года. Все работы по артиллерийскому типу в рамках Манхэттенского проекта были направлены на конструкцию пушки с обогащенным ураном «Маленький мальчик» , и почти все исследования в Лос-Анджелесе Лаборатория Аламоса была переориентирована на проблемы взрыва бомбы «Толстяк». [25] [26]
