« Тонкий человек » — кодовое название предлагаемой ядерной бомбы пушечного типа на плутониевом топливе , которую Соединенные Штаты разрабатывали в ходе Манхэттенского проекта . Ее разработка была прекращена в 1944 году после того, как было обнаружено, что скорость спонтанного деления плутония, полученного в ядерном реакторе, слишком высока для использования в конструкции пушечного типа из-за высокой концентрации изотопа плутония-240 .
В 1942 году, до того, как армия США взяла под контроль атомные исследования военного времени в том, что стало известно как Манхэттенский проект , Роберт Оппенгеймер провел конференции в Чикаго в июне и в Беркли, Калифорния , в июле, на которых физики обсуждали вопросы проектирования ядерной бомбы. Была выбрана конструкция типа пушки , в которой две субкритические массы плутония объединялись путем выстрела «пулей» в «цель». [1] Альтернативная идея ядерного оружия имплозивного типа была предложена Ричардом Толменом , но она привлекла мало внимания, будучи гораздо более сложной. [2]
Оппенгеймер пересмотрел свои варианты в начале 1943 года и отдал приоритет оружию пушечного типа [2], но в качестве страховки от угрозы преддетонации он создал группу E-5 в Лос-Аламосской лаборатории под руководством Сета Неддермейера для исследования имплозии. Было установлено, что бомбы имплозивного типа значительно более эффективны с точки зрения взрывной мощности на единицу массы делящегося материала в бомбе, поскольку сжатые делящиеся материалы реагируют быстрее и, следовательно, более полно. Но было решено, что плутониевая бомба пушечного типа получит большую часть исследовательских усилий, поскольку это был проект с наименьшим количеством неопределенностей. Предполагалось, что урановая бомба пушечного типа может быть легче адаптирована из нее. [3]
Конструкции пушечного и имплозивного типа получили кодовые названия «Тонкий человек» и « Толстяк » соответственно. Эти кодовые названия были придуманы Робертом Сербером , бывшим учеником Оппенгеймера, работавшим над Манхэттенским проектом. Он выбрал их на основе их проектных форм; «Тонкий человек» должен был быть очень длинным устройством, а название пришло из детективного романа Дэшила Хэммета «Тонкий человек» и серии фильмов с таким же названием. «Толстяк» должен был быть круглым и толстым и был назван в честь персонажа Сидни Гринстрита в «Мальтийском соколе» . Конструкция уранового типа « Малыш» появилась позже и была названа только для контраста с «Тонким человеком». [4] Кодовые названия «Тонкий человек» и «Толстяк» из Лос-Аламоса были приняты Военно-воздушными силами США (USAAF). Была придумана легенда, что Silverplate был о модификации пульмановского вагона для использования президентом Франклином Рузвельтом (Худой) и премьер-министром Великобритании 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 проектом плутониевой пушки Оппенгеймер собрал команду в Лос-Аламосской лаборатории, в которую вошли старший инженер Эдвин Макмиллан и старшие физики Чарльз Кричфилд и Джозеф Хиршфельдер . Кричфилд работал с подкалиберными снарядами , которые, по мнению Оппенгеймера, потребуются для «Худого человека» для достижения высоких начальных скоростей, которые потребуются для критической сборки ; Хиршфельдер работал над внутренней баллистикой . Оппенгеймер сам руководил проектированием до июня 1943 года, когда прибыл капитан ВМС США Уильям Стерлинг Парсонс и взял на себя управление артиллерийско-инженерным отделом и непосредственное управление проектом «Худого человека». [7]
Эти четверо создали и испытали все элементы конструкции Thin Man в период с апреля 1943 года по август 1944 года. Парсонс, который разработал бесконтактный взрыватель для ВМФ, руководил подразделением и занимался связью с другими агентствами. Будучи главой группы по снарядам, целям и источникам E-6, Кричфилд рассчитал критические массы и ввел систему живых испытаний с использованием масштабных моделей, используя 20-мм пушку и 3-дюймовые орудия . Их можно было легко и просто получить, в то время как на изготовление полномасштабных трубок Thin Man уходили месяцы. [8] Провести испытания с плутонием было невозможно, поскольку он еще не был доступен. Действительно, фактические физические характеристики металла в то время были не более чем обоснованными догадками. [9]
Хиршфельдер возглавлял группу внутренней баллистики E-8. Его группа выполняла математические расчеты, но ему также приходилось определять подходящий порох , воспламенитель и капсюль . Его группа проводила полномасштабные испытания своих выборов. [10] Определение физического размера бомбы оказалось важным, когда дело дошло до выбора подходящего самолета для ее перевозки. [9] Группа E-8 оценила начальную скорость пушки примерно в 3000 футов в секунду (910 м/с), что близко к максимально достижимому в 1944 году, [11] и подсчитала, что давление в стволе составит до 75 000 фунтов на квадратный дюйм (520 000 кПа). [9]
Хотя разработчики оружия считали, что простого объединения критической массы 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 его складировать, и его можно было получить из природных руд из Порт-Хоупа, Онтарио . Оппенгеймер также потребовал, чтобы он был изготовлен в графитовом реакторе X-10 на инженерном заводе Клинтона в Оук-Ридже, штат Теннесси , или, когда они станут доступны, в реакторах на инженерном заводе Ханфорда в штате Вашингтон . [12]
Проект «Худой 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 , может быть собран в критическую массу методом типа пушки , который включал выстреливание одной подкритической части в другую. Чтобы избежать преддетонации или « шипения », плутониевую «пулю» необходимо было разогнать до скорости не менее 3000 футов в секунду (910 м/с) — иначе реакция деления началась бы до завершения сборки, преждевременно разорвав устройство на части. [11]
Длина Thin Man составляла 17 футов (5,2 м), ширина хвостовой и носовой частей — 38 дюймов (97 см), а средняя часть — 23 дюйма (58 см). Длина была необходима для того, чтобы плутониевая «пуля» достигла достаточной скорости, прежде чем достичь «цели». Вес окончательной модели оружия составлял приблизительно 8000 фунтов (3600 кг). [13] В инвентаре ВВС США не было самолетов, которые могли бы нести Thin Man без модификации, и в 1943 году Норман Рэмси предложил британский Avro Lancaster как единственный самолет, который мог бы нести Thin Man внутри из-за его 33-футового (10 м) бомбового отсека. [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 его бомбовыми отсеками. [15] Эта модификация была выполнена на 58-м серийном экземпляре с производственной линии Boeing Wichita, серийный номер AAF 42-6259. [16]
Хотя Рэмси предложил Lancaster, глава USAAF генерал-лейтенант Генри Х. Арнольд отклонил предложение, отдав предпочтение американскому типу, а именно B-29. Перед тем, как прекратить испытания фиктивных бомб Thin Man и Fat Man, бригадный генерал Лесли Гроувс , директор Манхэттенского проекта, предложил использовать Lancaster для испытаний, поскольку B-29, хотя и производился, все еще был дефицитом. [17] Арнольд снова отклонил предложение, поскольку он вложил много времени и денег в разработку B-29. [18]
Большая длина бомбы Thin Man привела к аэродинамической нестабильности. Модели бомбы в уменьшенном масштабе сбрасывались с самолета Grumman TBF Avenger на испытательном полигоне ВМС США в Дальгрене, штат Вирджиния, начиная с августа 1943 года. [19] Бомбы вращались вбок после сброса и распадались при ударе о землю. [20] Двадцать четыре сброса были выполнены в марте 1944 года, прежде чем их прекратили, чтобы можно было внести улучшения в Thin Man. Бомбы не сбрасывались немедленно, что расстраивало калибровочные испытания. В том, что оказалось последним испытательным полетом серии 16 марта 1944 года, Thin Man был преждевременно сброшен, когда B-29 все еще был на пути к испытательному полигону, и упал на створки бомбового отсека, серьезно повредив испытательный самолет. [13] Модифицированные механизмы буксирного крюка планера, используемые для подвешивания бомбы в бомбовом отсеке, стали причиной всех четырех неисправностей из-за большого веса бомб. Их заменили британскими одноточечными креплениями типа G и пусковыми устройствами типа F, которые использовались на самолете Lancaster для переноски 12 000-фунтовой (5 400 кг) бомбы Tallboy . [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 «пришел к выводу, что плутоний не может быть практичным расщепляемым материалом для оружия из-за примесей». [22] Конант проконсультировался с Эрнестом Лоуренсом и Артуром Комптоном , которые признали, что их ученые в Беркли и Чикаго соответственно знали об этой проблеме, но не могли предложить готового решения. Конант проинформировал директора Манхэттенского проекта, бригадного генерала Лесли Р. Гроувза-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 преодолеть, потребовав более высокой чистоты. [23]
В апреле 1944 года эксперименты Эмилио Г. Сегре и его группы P-5 в Лос-Аламосе с плутонием, произведенным в реакторе из графитового реактора 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 сделаны первоначальные измерения, имел гораздо меньше следов плутония-240. Его включение в плутоний, произведенный в реакторе, казалось неизбежным. Это означало, что скорость спонтанного деления реакторного плутония была настолько высока, что было бы весьма вероятно, что он предварительно детонирует и взорвется на части во время начального формирования критической массы. [24] Расстояние, необходимое для разгона плутония до скоростей, на которых предварительная детонация была бы менее вероятной, потребовало бы слишком длинного ствола пушки для любого существующего или планируемого бомбардировщика. Единственным способом использования плутония в работоспособной бомбе была имплозия — гораздо более сложная инженерная задача. [25]
Непрактичность создания бомбы пушечного типа с использованием плутония была согласована на совещании, состоявшемся 17 июля 1944 года. Все работы пушечного типа в Манхэттенском проекте были направлены на разработку пушки из обогащенного урана «Малыш» , и почти все исследования в Лос-Аламосской лаборатории были переориентированы на проблемы имплозии для бомбы «Толстяк». [25] [26]
