Операция Sandstone была серией испытаний ядерного оружия в 1948 году. Это была третья серия американских испытаний, после Trinity в 1945 году и Crossroads в 1946 году, и предшествовавшая Ranger . Как и испытания Crossroads, испытания Sandstone проводились на Тихоокеанском испытательном полигоне , хотя на атолле Эниветок , а не на атолле Бикини . Они отличались от Crossroads тем, что проводились Комиссией по атомной энергии , а вооруженные силы играли только вспомогательную роль. Цель испытаний Sandstone также была иной: это были в первую очередь испытания новых конструкций бомб, а не последствий применения ядерного оружия. Три испытания были проведены в апреле и мае 1948 года Объединенной оперативной группой 7 с рабочей силой в 10 366 человек, из которых 9 890 были военными.
Успешное тестирование новых ядер в ходе испытаний операции Sandstone сделало все компоненты старого оружия устаревшими. Еще до проведения третьего испытания производство старых ядер было остановлено, и все усилия были сосредоточены на новой ядерной бомбе Mark 4 , которая стала первым ядерным оружием массового производства. Более эффективное использование расщепляющегося материала в результате операции Sandstone увеличило ядерный арсенал США с 56 бомб в июне 1948 года до 169 в июне 1949 года.
Ядерное оружие было разработано во время Второй мировой войны в рамках Манхэттенского проекта , в рамках которого была создана сеть производственных предприятий и лаборатория исследований и проектирования оружия в Лос-Аламосской национальной лаборатории . [1] Было разработано два типа бомб: Mark 1 Little Boy , ядерное оружие пушечного типа, использующее уран-235 , и Mark 3 Fat Man , ядерное оружие имплозивного типа , использующее плутоний . [2]
Это оружие не так уж далеко ушло от своего лабораторного происхождения. Оставалось проделать большую работу по улучшению простоты сборки, безопасности, надежности и хранения, прежде чем они были готовы к производству. Было также много улучшений их производительности, которые были предложены или рекомендованы во время войны, но которые не были возможны из-за давления военного времени. Норрис Брэдбери , сменивший Роберта Оппенгеймера на посту директора в Лос-Аламосе, считал, что «у нас были, прямо говоря, паршивые бомбы». [3]
Плутоний производился путем облучения урана-238 в трех ядерных реакторах мощностью 250 МВт на площадке в Хэнфорде . Теоретически они могли производить 0,91 грамма (0,032 унции) плутония на мегаватт-день, или около 20 килограммов (44 фунта) в месяц. На практике производство никогда не приближалось к такому уровню в 1945 году, когда производилось всего от 4 до 6 килограммов (от 8,8 до 13,2 фунта) в месяц. Для ядра «Толстяка» требовалось около 6,2 килограммов (14 фунтов) плутония, из которых 21% делилось. Производство плутония упало в 1946 году из-за разбухания графитовых замедлителей нейтронов реакторов . Это известно как эффект Вигнера , по имени его первооткрывателя, ученого Манхэттенского проекта Юджина Вигнера . [4]
Эти реакторы также требовались для производства (путем облучения висмута-209 ) полония-210 , который использовался в инициаторах , критическом компоненте ядерного оружия. Около 62 килограммов (137 фунтов) висмута-209 нужно было облучить в течение 100 дней, чтобы получить 600 кюри полония-210, чуть более 132 миллиграммов (2,04 грамма). Поскольку период полураспада полония-210 составляет всего 138 дней, по крайней мере один реактор должен был работать. Поэтому самый старый блок, B-пила, был закрыт, чтобы он был доступен в будущем. Исследование проблемы заняло большую часть 1946 года, прежде чем было найдено решение. [5]
Уран-235 был получен путем обогащения природного урана на заводе Y-12 и объекте K-25 в Оук-Ридже, штат Теннесси. Улучшения в процессах и процедурах электромагнитного и газообразного разделения изотопов между октябрем 1945 года и июнем 1946 года привели к увеличению производства примерно до 69 килограммов (152 фунта) урана-235 в месяц, чего было достаточно только для одного из очень расточительных Little Boys. Fat Man был в 17,5 раз эффективнее Little Boy, но тонна урановой руды могла дать в восемь раз больше урана-235, чем плутония, а в расчете на грамм производство плутония стоило где-то в четыре-восемь раз больше, чем уран-235, [6] который в то время стоил около 26 долларов за грамм. [7]
Целями серии испытаний Sandstone были:
Левитация означала, что вместо того, чтобы находиться непосредственно внутри тампера, между тампером и ядром, которое будет подвешено внутри на проводах, будет воздушный зазор. Это позволит тамперу набрать больше импульса перед ударом по ядру. Принцип был похож на замах молотком по гвоздю против размещения головки молотка непосредственно на гвозде и нажатия со всей возможной силой. Для того чтобы это работало за пределами лаборатории, провода должны были быть достаточно прочными, чтобы выдерживать падение с самолета, но достаточно тонкими, чтобы не нарушать сферическую симметрию имплозии. [9] Теоретический отдел в Лос-Аламосе, известный как T Division, провел компьютерные расчеты по левитирующему ядру еще в марте 1945 года. [10] Использование левитирующего ядра было предложено во время планирования операции Crossroads, но вместо этого было решено использовать существующую конструкцию твердого ядра «Christy». [11] Она была названа в честь своего конструктора Роберта Кристи . [12] Однако для песчаника было решено, что по крайней мере в двух из трех испытаний будут использоваться левитирующие сердечники. [8]
Мотивацией композитного ядра было более эффективное использование имеющегося расщепляющегося материала. Использование урана-235 в имплозивном оружии вместо неэффективного типа пушки Little Boy было очевидным развитием. Однако, хотя плутоний был дороже и его было сложнее производить, чем уран-235, он делится быстрее, поскольку лучше использует нейтроны, которые производит его деление. С другой стороны, более медленная реакция урана-235 позволяет собирать сверхкритические массы, что делает теоретически возможным производство оружия с высокой мощностью. [13] К июлю 1945 года Оппенгеймер и Гроувс рассматривали возможность использования обоих материалов в композитном ядре, содержащем 3,25 килограмма (7,2 фунта) плутония и 6,5 килограмма (14 фунтов) урана-235. Композитные ядра стали доступны в 1946 году. Затем приоритетом Лос-Аламоса стала разработка ядра, полностью состоящего из урана-235. [14] К январю 1948 года национальный запас содержал 50 ядер, из которых 36 были композитными ядрами Кристи, девять были плутониевыми ядрами Кристи и пять были композитными левитирующими ядрами. [15] Испытание новых левитирующих, композитных и урана-235 ядер потребовало бы по крайней мере трех испытательных запусков. [14]
Более эффективное оружие потребует менее эффективных инициаторов. Это означало, что потребуется меньше полония. Во времена Sandstone национальный запас инициаторов полония-бериллия состоял из 50 инициаторов класса A с более чем 25 кюри полония и 13 инициаторов класса B с 12-25 кюри. Во время Sandstone по крайней мере одно испытание будет проведено с инициатором класса B. [16]
Испытания были одобрены президентом Гарри С. Трумэном 27 июня 1947 года. Директор по военным применениям Комиссии по атомной энергии бригадный генерал Джеймс Маккормак и его заместитель капитан Джеймс С. Рассел встретились с Брэдбери и Джоном Генри Мэнли в Лос-Аламосе 9 июля, чтобы договориться об испытаниях. Они с готовностью согласились, что они будут носить научный характер, при этом Лос-Аламос будет обеспечивать техническое руководство, а вооруженные силы — поставки и материально-техническую поддержку. Стоимость испытаний, около 20 миллионов долларов, была разделена между Министерством обороны и Комиссией по атомной энергии. Генерал-лейтенант Джон Э. Халл был назначен командующим испытаниями. [17] Контр-адмирал Уильям С. Парсонс и генерал-майор Уильям Э. Кепнер повторили свои роли в операции «Перекресток» в качестве заместителей командующих. [18] Объединенная оперативная группа 7 была официально сформирована 18 октября 1947 года. Как ее командующий, Халл был подотчетен как Объединенному комитету начальников штабов, так и Комиссии по атомной энергии. [19]
Объединенная оперативная группа 7 состояла из 10 366 человек, 9890 из которых были военными. [20] Ее штаб состоял из около 175 человек, из которых 96 находились на борту USS Mount McKinley . Остальные были размещены на USS Albemarle , Curtiss и Bairoko . [21] Специальное подразделение Лос-Аламосской национальной лаборатории, известное как J Division, было создано специально для управления ядерными испытаниями. Группа Комиссии по атомной энергии (Task Group 7.1) отвечала за подготовку и детонацию ядерного оружия и проведение экспериментов. Она состояла из около 283 ученых и техников, ответственных за ядерные испытания из J Division, Проекта специального оружия вооруженных сил , Военно-морской исследовательской лаборатории , Военно-морской артиллерийской лаборатории , Аргоннской национальной лаборатории , Абердинского испытательного полигона , Комиссии по атомной энергии, Edgerton, Germeshausen & Grier и других агентств. [21]
Каждый из них занимался отдельным аспектом испытаний. Лаборатория военно-морского вооружения занималась испытаниями по измерению взрывной волны, в то время как Лаборатория военно-морских исследований проводила эксперименты по измерению радиации, а Аргоннская национальная лаборатория занималась измерениями гамма-излучения . Эджертон, Гермесхаузен и Грир были подрядчиками, нанятыми для проектирования и установки систем синхронизации и стрельбы. [21] Семь экспериментальных оружейных сборок и шесть сердечников были доставлены в Сан-Педро, Калифорния , и загружены на судно по сборке оружия USS Curtiss в феврале 1948 года, но Комиссия по атомной энергии дала разрешение на расходование только трех сердечников в испытаниях. [22]
Военно-морские силы были организованы в оперативную группу 7.3. Она состояла из:
Источник: Беркхаус и др. , Операция «Песчаник» , стр. 40
В сентябре 1947 года Халл, Рассел, назначенный директором испытаний 14 октября, и научный директор Объединенной оперативной группы 7 Дэрол К. Фроман из лабораторий Лос-Аламоса отправились с группой ученых и военных офицеров для изучения различных предполагаемых испытательных площадок в Тихом океане. [17] Атолл Эниветок был выбран в качестве испытательной площадки 11 октября . [23] Остров был удаленным, но с хорошей гаванью и взлетно-посадочной полосой. На нем также были океанские течения и пассаты, которые могли вынести радиоактивные осадки в море, что было важным соображением в свете того, что произошло на атолле Бикини во время операции «Перекресток». [17]
Поскольку подопечная территория Тихоокеанских островов была подопечной территорией Организации Объединенных Наций, управляемой Соединенными Штатами, Совет Безопасности Организации Объединенных Наций был уведомлен о предстоящих испытаниях 2 декабря. Атолл был заселен дри-Эневетак, которые жили на Аомоне, и дри-Энджеби, которые жили на Биджире. Их первоначальные дома были на Эниветоке и Энджеби, но они были перемещены во время войны, чтобы освободить место для военных баз. Население, численностью около 140 человек, было временно переселено на остров Мек во время операции «Перекресток». На этот раз в качестве места переселения был выбран атолл Уджеланг , необитаемый атолл в 124 морских милях (230 км; 143 мили) к юго-западу от Эниветока. Группа военно-морского строительного батальона прибыла туда 22 ноября для строительства жилья и удобств. Военные власти встретились с местными вождями 3 декабря, и они согласились на передислокацию, которая была осуществлена USS King County к 20 декабря. [24] LST и четыре самолета Douglas C-54 Skymaster были приведены в режим ожидания для эвакуации Уджелана в случае, если он пострадает от радиоактивных осадков, но в этом не было необходимости. [25]
В отличие от испытаний Crossroads, которые проводились в центре внимания СМИ, испытания Sandstone проводились с минимальной оглаской. 15 апреля в Вашингтоне все еще шла дискуссия о том, следует ли вообще делать публичное объявление об испытаниях. Халл выступал против того, чтобы делать какие-либо объявления до завершения серии, но комиссары AEC посчитали, что новости просочятся, и Соединенные Штаты будут выглядеть скрытными. Поэтому было решено сделать объявление в последнюю минуту. Не было никакого объявления о цели испытаний, были только краткие пресс-релизы. 18 мая, после окончания серии, Халл провел пресс-конференцию на Гавайях, но разрешил СМИ только цитировать письменные заявления. [26]
Острова Энджеби, Аомон и Рунит были очищены от растительности и выровнены, чтобы облегчить установку необходимого оборудования, а между Аомоном и Биджире была построена дамба, чтобы кабели приборов можно было проложить от испытательной башни на Аомоне до пункта управления на Биджире. Взрывы были заказаны таким образом, чтобы последующие испытательные районы пострадали от минимальных осадков от более ранних выстрелов. [27] Армейский компонент, оперативная группа 7.2, отвечал за строительные работы. Он состоял из 1220-го временного инженерного батальона с 1217-м и 1218-м смешанными служебными взводами, 18-й инженерно-строительной роты и 1219-го взвода службы связи; рот D и E 532-го инженерного лодочного и берегового полка 2-й инженерной специальной бригады ; 461-й транспортной амфибийной грузовой роты; 854-й транспортной портовой роты; 401-й отряд БИЦ и отряд береговой базы ВМС. [28]
Как и в операции «Перекресток», каждому взрыву было присвоено собственное кодовое название, взятое из фонетического алфавита Объединенной армии и флота . Все они использовали модифицированные сборки Mark III и были взорваны с башен высотой 200 футов (61 м). [29] Время взрывов было вопросом компромисса. Эксперименты по измерению гамма-излучения требовали темноты, но беспилотникам Boeing B-17 Flying Fortress, которые должны были брать образцы облаков, требовался дневной свет для управления ими. В качестве компромисса все взрывы Sandstone произошли незадолго до рассвета. [30]
Ниже перечислены взрывы серии Sandstone в США:
Ядерное устройство X-Ray использовало левитирующее композитное ядро. [29] Оно было взорвано на Энджеби незадолго до восхода солнца в 06:17 15 апреля 1948 года [35] с выходом 37 килотонн. [36] Эффективность использования плутония составила около 35%; урана-235 — 25% или более. Это было несколько выше, чем прогнозировалось Лос-Аламосом. [29] Наблюдатели, наблюдавшие с кораблей в лагуне, увидели яркую вспышку и почувствовали лучистое тепло. Облако конденсации диаметром 5 морских миль (9,3 км; 5,8 миль) быстро окутало огненный шар, который светился внутри облака. Громоподобный грохот взрыва достиг наблюдателей через 45–50 секунд. [35]
Примерно через 20 минут Байроко запустил вертолет, чтобы проверить тросовую лебедку, которая должна была собрать образцы. Он также спустил лодки, чтобы проверить уровень радиоактивности в лагуне. Беспилотные беспилотные самолеты B-17 летали сквозь облака, а беспилотный легкий танк использовался для извлечения образцов почвы из кратера. К сожалению, он увяз, и его пришлось отбуксировать десять дней спустя. [37]
Ядерное устройство Yoke использовало левитирующее ядро из урана-235. [29] Оно было взорвано на Аомоне незадолго до восхода солнца 1 мая 1948 года в 06:09, на день позже из-за неблагоприятных ветров. [38] Наблюдатели увидели похожую вспышку и почувствовали то же тепло, что и при взрыве X-Ray, но облако конденсации шириной 6 морских миль (11 км; 6,9 миль) было больше, а звук взрыва более сильным. Один наблюдатель сравнил его со звуком «бумажного пакета, который с силой лопнул в небольшой комнате». [38] Они были правы: его мощность в 49 килотонн сделала его самым мощным ядерным взрывом на тот момент, [36] но он был сочтен неэффективным и расточительным по отношению к расщепляющемуся материалу. [29]
Zebra, третий тест и последний из серии Sandstone, был взорван на Runit незадолго до восхода солнца в 06:04 15 мая 1948 года. [39] Этот тест был охарактеризован председателем AEC Дэвидом Лилиенталем как «самый сложный и важный» тест из трех. Использование одного из инициаторов класса B продемонстрировало, что их все еще можно использовать с уверенностью. [40] Наблюдатели восприняли вспышку и взрыв как аналогичные двум предыдущим тестам, но на этот раз основание облака конденсации находилось на высоте 2000 футов (610 м), что давало наблюдателям беспрепятственный обзор огненного шара, который поэтому казался ярче и длился дольше, чем два других. [39] Внешний вид был обманчив: его левитирующее ядро из урана-235 произвело мощность 18 килотонн. [36]
Процедуры, использованные в предыдущих испытаниях, были повторены, но на этот раз трос лебедки зацепился, и образцы для испытаний пришлось извлекать на джипе, подвергая экипаж большему воздействию радиации. Персонал Лос-Аламоса, назначенный для снятия фильтров с беспилотников B-17, по-видимому, выполнил процедуру на X-Ray и Yoke без проблем, но на этот раз трое из них получили радиационные ожоги на руках, достаточно серьезные, чтобы их госпитализировать и пересадить кожу . У одного из мужчин, проводивших процедуру для Yoke, также были обнаружены ожоги на руках, и он также был госпитализирован, но был выписан 28 мая. И снова беспилотный танк доставил неприятности и увяз в кратере, но образцы почвы были извлечены резервным беспилотным танком. Оба танка впоследствии были сброшены в океан. [41]
Успешное испытание новых ядер в ходе испытаний в Сэндстоуне имело глубокий эффект. Практически каждый компонент старого оружия оказался устаревшим. [8] Еще до проведения третьего испытания Брэдбери остановил производство старых ядер и приказал сосредоточить все усилия на ядерной бомбе Mark 4 , которая стала первым ядерным оружием массового производства. [42] Более эффективное использование расщепляющегося материала увеличило бы ядерный запас с 56 бомб в июне 1948 года до 169 в июне 1949 года. [43] Бомбы Mark III были сняты с эксплуатации в 1950 году . [44] В то же время новые производственные предприятия вступали в строй, и проблема эффекта Вигнера была решена. К маю 1951 года производство плутония было в двенадцать раз больше, чем в 1947 году, в то время как производство урана-235 увеличилось в восемь раз. [45] Начальник проекта специального оружия вооруженных сил генерал-майор Кеннет Д. Николс ясно увидел, что эпоха дефицита закончилась. Теперь он «рекомендовал нам думать о тысячах единиц оружия, а не о сотнях». [46]
