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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Bombe atomique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Armes nucléaires (ou armes atomiques) - un ensemble d'armes nucléaires, leurs moyens de livraison à la cible et les contrôles. Fait référence aux armes de destruction massive ainsi qu'aux armes biologiques et chimiques. La munition nucléaire est une arme explosive basée sur l'utilisation de l'énergie nucléaire libérée à la suite d'une réaction nucléaire en chaîne de type avalanche de fission de noyaux lourds et / ou d'une réaction de fusion thermonucléaire de noyaux légers. Le monde de l'atome est tellement fantastique que sa compréhension nécessite une rupture radicale avec les concepts habituels d'espace et de temps. Les atomes sont si petits que si une goutte d'eau pouvait être agrandie à la taille de la Terre, chaque atome de cette goutte serait plus petit qu'une orange. En fait, une goutte d'eau est composée de 6000 milliards de milliards (6000000000000000000000) d'atomes d'hydrogène et d'oxygène. Et pourtant, malgré sa taille microscopique, l'atome a une structure assez proche de la structure de notre système solaire. En son centre incompréhensiblement petit, avec un rayon de moins d'un billionième de centimètre, se trouve un "soleil" relativement énorme - le noyau d'un atome. Autour de ce "soleil" atomique, de minuscules "planètes" - des électrons - tournent. Le noyau se compose de deux éléments constitutifs principaux de l'Univers - les protons et les neutrons (ils ont un nom unificateur - les nucléons). Un électron et un proton sont des particules chargées, et la quantité de charge dans chacun d'eux est exactement la même, mais les charges diffèrent par leur signe : le proton est toujours chargé positivement et l'électron est toujours négatif. Le neutron ne porte pas de charge électrique et a donc une perméabilité très élevée. Dans l'échelle de mesure atomique, la masse du proton et du neutron est prise comme unité. Le poids atomique de tout élément chimique dépend donc du nombre de protons et de neutrons contenus dans son noyau. Par exemple, un atome d'hydrogène, dont le noyau est constitué d'un seul proton, a une masse atomique de 1. Un atome d'hélium, avec un noyau de deux protons et deux neutrons, a une masse atomique de 4. Les noyaux des atomes d'un même élément contiennent toujours le même nombre de protons, mais le nombre de neutrons peut être différent. Les atomes qui ont des noyaux avec le même nombre de protons, mais diffèrent par le nombre de neutrons et liés à des variétés du même élément, sont appelés isotopes. Pour les distinguer les uns des autres, un nombre égal à la somme de toutes les particules du noyau d'un isotope donné est attribué au symbole de l'élément. La question peut se poser : pourquoi le noyau d'un atome ne s'effondre-t-il pas ? Après tout, les protons qu'il contient sont des particules chargées électriquement de même charge, qui doivent se repousser avec une grande force. Cela s'explique par le fait qu'à l'intérieur du noyau, il existe également des forces dites intranucléaires qui attirent les particules du noyau les unes vers les autres. Ces forces compensent les forces répulsives des protons et ne permettent pas au noyau de s'envoler spontanément. Les forces intranucléaires sont très fortes, mais elles n'agissent qu'à très courte distance. Par conséquent, les noyaux d'éléments lourds, constitués de centaines de nucléons, s'avèrent instables. Les particules du noyau sont en mouvement constant ici (dans le volume du noyau), et si vous leur ajoutez une quantité supplémentaire d'énergie, elles peuvent surmonter les forces internes - le noyau sera divisé en parties. La quantité de cette énergie excédentaire est appelée énergie d'excitation. Parmi les isotopes des éléments lourds, il y a ceux qui semblent être sur le point de s'autodécomposer. Seule une petite "poussée" suffit, par exemple, un simple coup d'un neutron dans le noyau (et il n'a même pas besoin d'être accéléré à une vitesse élevée) pour que la réaction de fission nucléaire démarre. Certains de ces isotopes « fissiles » ont ensuite été fabriqués artificiellement. Dans la nature, il n'y a qu'un seul isotope de ce type - c'est l'uranium-235.
Uranus a été découverte en 1783 par Klaproth, qui l'a isolée du brai d'uranium et l'a nommée d'après la planète Uranus récemment découverte. Comme il s'est avéré plus tard, il ne s'agissait en fait pas d'uranium lui-même, mais de son oxyde. L'uranium pur - un métal blanc argenté - n'a été obtenu qu'en 1842 par Peligo. Le nouvel élément n'avait pas de propriétés remarquables et n'attira l'attention qu'en 1896, lorsque Becquerel découvrit le phénomène de radioactivité des sels d'uranium. Après cela, l'uranium est devenu l'objet de recherches et d'expériences scientifiques, mais n'avait toujours aucune application pratique. Lorsque, dans le premier tiers du XXe siècle, la structure du noyau atomique est devenue plus ou moins claire pour les physiciens, ils ont d'abord essayé de réaliser le vieux rêve des alchimistes - ils ont essayé de transformer un élément chimique en un autre. En 1934, les chercheurs français, les époux Frédéric et Irène Joliot-Curie, rapportent à l'Académie française des sciences l'expérience suivante : lorsque des plaques d'aluminium sont bombardées de particules alpha (noyaux d'atomes d'hélium), les atomes d'aluminium se transforment en atomes de phosphore, mais pas ordinaire, mais radioactif, qui à son tour s'est converti en un isotope stable du silicium. Ainsi, un atome d'aluminium, ayant ajouté un proton et deux neutrons, s'est transformé en un atome de silicium plus lourd. Cette expérience a conduit à l'idée que si des neutrons sont "tirés" sur les noyaux de l'élément le plus lourd existant dans la nature - l'uranium, alors on peut obtenir un élément qui n'existe pas dans des conditions naturelles. En 1938, les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann répètent en termes généraux l'expérience des époux Joliot-Curie, prenant de l'uranium au lieu de l'aluminium. Les résultats de l'expérience n'étaient pas du tout ce à quoi ils s'attendaient - au lieu d'un nouvel élément superlourd avec un nombre de masse supérieur à celui de l'uranium, Hahn et Strassmann ont reçu des éléments légers de la partie médiane du système périodique : baryum, krypton, brome et Quelques autres. Les expérimentateurs eux-mêmes n'ont pas pu expliquer le phénomène observé. Ce n'est que l'année suivante que la physicienne Lisa Meitner, à qui Hahn fit part de ses difficultés, trouva une explication correcte au phénomène observé, suggérant que lorsque l'uranium était bombardé de neutrons, son noyau se fendait (fissionnait). Dans ce cas, des noyaux d'éléments plus légers auraient dû se former (c'est de là que le baryum, le krypton et d'autres substances ont été extraits), ainsi que 2-3 neutrons libres auraient dû être libérés. Des recherches plus poussées ont permis de clarifier en détail l'image de ce qui se passe. L'uranium naturel est constitué d'un mélange de trois isotopes de masses 238, 234 et 235. La majeure partie de l'uranium tombe sur l'isotope 238, dont le noyau comprend 92 protons et 146 neutrons. L'uranium-235 ne représente que 1/140 de l'uranium naturel (0%) (il a 7 protons et 92 neutrons dans son noyau), et l'uranium-143 (234 protons, 92 neutrons) ne représente que 142/1 de la masse totale d'uranium ( 17500%). Le moins stable de ces isotopes est l'uranium-0. De temps en temps, les noyaux de ses atomes se divisent spontanément en parties, à la suite desquelles des éléments plus légers du système périodique se forment. Le processus s'accompagne de la libération de deux ou trois neutrons libres, qui se précipitent à une vitesse énorme - environ 006 235 km / s (ils sont appelés neutrons rapides). Ces neutrons peuvent frapper d'autres noyaux d'uranium, provoquant des réactions nucléaires. Chaque isotope se comporte différemment dans ce cas. Dans la plupart des cas, les noyaux d'uranium 238 capturent simplement ces neutrons sans aucune autre transformation. Mais dans environ un cas sur cinq, lorsqu'un neutron rapide entre en collision avec le noyau de l'isotope 238, une curieuse réaction nucléaire se produit: l'un des neutrons de l'uranium 238 émet un électron, se transformant en proton, c'est-à-dire l'isotope de l'uranium se transforme en un élément plus lourd - le neptunium-239 (93 protons + 146 neutrons). Mais le neptunium est instable - après quelques minutes, l'un de ses neutrons émet un électron, se transformant en proton, après quoi l'isotope du neptunium se transforme en l'élément suivant du système périodique - le plutonium-239 (94 protons + 145 neutrons). Si un neutron pénètre dans le noyau de l'uranium 235 instable, une fission se produit immédiatement - les atomes se désintègrent avec l'émission de deux ou trois neutrons. Il est clair que dans l'uranium naturel, dont la plupart des atomes appartiennent à l'isotope 238, cette réaction n'a pas de conséquences visibles - tous les neutrons libres finiront par être absorbés par cet isotope. Mais que se passe-t-il si nous imaginons un morceau d'uranium assez massif, composé entièrement de l'isotope 235 ? Ici, le processus se déroulera différemment: les neutrons libérés lors de la fission de plusieurs noyaux, tombant à leur tour dans des noyaux voisins, provoquent leur fission. En conséquence, une nouvelle portion de neutrons est libérée, ce qui divise les noyaux suivants. Dans des conditions favorables, cette réaction se déroule comme une avalanche et s'appelle une réaction en chaîne. Quelques particules de bombardement peuvent suffire à le démarrer. En effet, laissez seulement 235 neutrons bombarder l'uranium-100. Ils diviseront 100 noyaux d'uranium. Dans ce cas, 250 nouveaux neutrons de deuxième génération seront libérés (une moyenne de 2 par fission). Les neutrons de la deuxième génération produiront déjà 5 fissions, au cours desquelles 250 neutrons seront libérés. Dans la génération suivante, ce sera 625, puis 1562, puis 3906, et ainsi de suite. Le nombre de divisions augmentera sans limite si le processus n'est pas arrêté. Cependant, en réalité, seule une partie insignifiante des neutrons pénètre dans les noyaux des atomes. Les autres, se précipitant rapidement entre eux, sont emportés dans l'espace environnant. Une réaction en chaîne auto-entretenue ne peut se produire que dans un éventail suffisamment large d'uranium 235, dont on dit qu'il a une masse critique. (Cette masse dans des conditions normales est de 50 kg.) Il est important de noter que la fission de chaque noyau s'accompagne de la libération d'une énorme quantité d'énergie, qui s'avère être environ 300 millions de fois supérieure à l'énergie dépensée pour la fission ! (Il a été calculé que la fission complète de 1 kg d'uranium 235 libère autant de chaleur que la combustion de 3 235 tonnes de charbon.) Cette poussée colossale d'énergie, libérée en quelques instants, se manifeste par une explosion de monstrueux force et sous-tend le fonctionnement des armes nucléaires. Mais pour que cette arme devienne une réalité, il faut que la charge ne soit pas constituée d'uranium naturel, mais d'un isotope rare - 235 (un tel uranium est appelé enrichi). Plus tard, il a été découvert que le plutonium pur est également une matière fissile et peut être utilisé dans une charge atomique à la place de l'uranium-XNUMX. Toutes ces découvertes importantes ont été faites à la veille de la Seconde Guerre mondiale. Bientôt, des travaux secrets ont commencé en Allemagne et dans d'autres pays sur la création d'une bombe atomique. Aux États-Unis, ce problème a été abordé en 1941. L'ensemble des travaux a reçu le nom de "Manhattan Project". La direction administrative du projet a été assurée par le général Groves et la direction scientifique par le professeur Robert Oppenheimer de l'Université de Californie. Tous deux étaient bien conscients de l'énorme complexité de la tâche qui les attendait. Par conséquent, la première préoccupation d'Oppenheimer était l'acquisition d'une équipe scientifique très intelligente. Aux États-Unis, à cette époque, de nombreux physiciens avaient émigré de l'Allemagne fasciste. Il n'a pas été facile de les impliquer dans la création d'armes dirigées contre leur ancienne patrie. Oppenheimer s'est adressé à chacun personnellement, utilisant toute la force de son charme. Bientôt, il réussit à rassembler un petit groupe de théoriciens, qu'il appelait en plaisantant "luminaires". Et en fait, il comprenait les plus grands experts de l'époque dans le domaine de la physique et de la chimie. (Parmi eux se trouvent 13 lauréats du prix Nobel, dont Bohr, Fermi, Frank, Chadwick, Lawrence.) En plus d'eux, il y avait de nombreux autres spécialistes aux profils variés. Le gouvernement américain n'a pas lésiné sur les dépenses et, dès le début, les travaux ont pris une ampleur grandiose. En 1942, le plus grand laboratoire de recherche du monde a été fondé à Los Alamos. La population de cette ville scientifique a rapidement atteint 9 XNUMX personnes. En termes de composition de scientifiques, de portée des expériences scientifiques, de nombre de spécialistes et de travailleurs impliqués dans les travaux, le laboratoire de Los Alamos n'avait pas d'égal dans l'histoire du monde. Le "Projet Manhattan" avait sa propre police, son contre-espionnage, son système de communication, ses entrepôts, ses colonies, ses usines, ses laboratoires et son propre budget colossal. L'objectif principal du projet était d'obtenir suffisamment de matière fissile à partir de laquelle créer plusieurs bombes atomiques. En plus de l'uranium-235, comme déjà mentionné, l'élément artificiel plutonium-239 pourrait servir de charge pour la bombe, c'est-à-dire que la bombe pourrait être soit de l'uranium, soit du plutonium. Groves et Oppenheimer ont convenu que les travaux devraient être menés simultanément dans deux directions, car il est impossible de décider à l'avance laquelle d'entre elles sera la plus prometteuse. Les deux méthodes étaient fondamentalement différentes l'une de l'autre : l'accumulation d'uranium 235 devait être réalisée en le séparant de la masse d'uranium naturel, et le plutonium ne pouvait être obtenu qu'à la suite d'une réaction nucléaire contrôlée en irradiant l'uranium 238 avec neutrons. Les deux voies semblaient inhabituellement difficiles et ne promettaient pas de solutions faciles. En effet, comment séparer deux isotopes qui ne diffèrent que légèrement par leur poids et se comportent chimiquement exactement de la même manière ? Ni la science ni la technologie n'ont jamais été confrontées à un tel problème. La production de plutonium semblait également très problématique au début. Auparavant, toute l'expérience des transformations nucléaires était réduite à plusieurs expériences de laboratoire. Il fallait maintenant maîtriser la production de kilogrammes de plutonium à l'échelle industrielle, développer et créer une installation spéciale pour cela - un réacteur nucléaire, et apprendre à contrôler le déroulement d'une réaction nucléaire. Et ici et là, tout un ensemble de problèmes complexes devaient être résolus. Par conséquent, le "Projet Manhattan" se composait de plusieurs sous-projets, dirigés par d'éminents scientifiques. Oppenheimer lui-même était à la tête du laboratoire scientifique de Los Alamos. Lawrence était responsable du Radiation Laboratory de l'Université de Californie. Fermi a mené des recherches à l'Université de Chicago sur la création d'un réacteur nucléaire. Initialement, le problème le plus important était d'obtenir de l'uranium. Avant la guerre, ce métal n'avait en fait aucune utilité. Maintenant qu'il était nécessaire immédiatement en quantités énormes, il s'est avéré qu'il n'y avait aucun moyen industriel de le produire. La société Westinghouse entreprend son développement et connaît rapidement le succès. Après purification de la résine d'uranium (sous cette forme, l'uranium est présent dans la nature) et obtention d'oxyde d'uranium, celui-ci a été transformé en tétrafluorure (UF4), à partir duquel l'uranium métallique a été isolé par électrolyse. Si à la fin de 1941 les scientifiques américains ne disposaient que de quelques grammes d'uranium métallique, en novembre 1942 sa production industrielle dans les usines de Westinghouse atteignait 6000 XNUMX livres par mois. Au même moment, des travaux étaient en cours sur la création d'un réacteur nucléaire. Le processus de production de plutonium se résumait en fait à l'irradiation de barres d'uranium avec des neutrons, à la suite de quoi une partie de l'uranium 238 devait se transformer en plutonium. Les sources de neutrons dans ce cas pourraient être des atomes d'uranium 235 fissiles dispersés en quantités suffisantes parmi les atomes d'uranium 238. Mais pour maintenir une reproduction constante des neutrons, une réaction en chaîne de fission des atomes d'uranium 235 a dû commencer. Pendant ce temps, comme déjà mentionné, pour chaque atome d'uranium-235, il y avait 140 atomes d'uranium-238. Il est clair que les neutrons volant dans toutes les directions étaient beaucoup plus susceptibles de les rencontrer exactement sur leur chemin. Autrement dit, un grand nombre de neutrons libérés se sont avérés absorbés par l'isotope principal en vain. Évidemment, dans de telles conditions, la réaction en chaîne ne pouvait pas aller. Comment être? Au début, il semblait que sans la séparation de deux isotopes, le fonctionnement du réacteur était généralement impossible, mais une circonstance importante fut bientôt établie : il s'avéra que l'uranium-235 et l'uranium-238 étaient sensibles aux neutrons d'énergies différentes. Il est possible de scinder le noyau d'un atome d'uranium 235 avec un neutron d'énergie relativement faible, ayant une vitesse d'environ 22 m/s. Ces neutrons lents ne sont pas capturés par les noyaux d'uranium 238 - pour cela, ils doivent avoir une vitesse de l'ordre de centaines de milliers de mètres par seconde. En d'autres termes, l'uranium 238 est impuissant à empêcher le démarrage et la progression d'une réaction en chaîne dans l'uranium 235 provoquée par des neutrons ralentis à des vitesses extrêmement faibles - pas plus de 22 m/s. Ce phénomène a été découvert par le physicien italien Fermi, qui vivait aux États-Unis depuis 1938 et a supervisé les travaux de création du premier réacteur ici. Fermi a décidé d'utiliser le graphite comme modérateur de neutrons. Selon ses calculs, les neutrons émis par l'uranium-235, ayant traversé une couche de graphite de 40 cm, auraient dû réduire leur vitesse à 22 m/s et déclencher une réaction en chaîne auto-entretenue dans l'uranium-235. L'eau dite "lourde" pourrait servir de modérateur supplémentaire. Étant donné que les atomes d'hydrogène qui le composent sont très proches en taille et en masse des neutrons, ils pourraient mieux les ralentir. (A peu près la même chose se produit avec les neutrons rapides qu'avec les balles : si une petite balle en frappe une grosse, elle recule, presque sans perdre de vitesse, mais lorsqu'elle rencontre une petite balle, elle lui transfère une partie importante de son énergie - tout comme un neutron dans une collision élastique rebondit sur un noyau lourd qui ne ralentit que légèrement, et lors d'une collision avec les noyaux d'atomes d'hydrogène perd très rapidement toute son énergie.) Cependant, l'eau ordinaire n'est pas adaptée au ralentissement, car son hydrogène a tendance à pour absorber les neutrons. C'est pourquoi le deutérium, qui fait partie de l'eau "lourde", doit être utilisé à cette fin. Au début de 1942, sous la direction de Fermi, la construction du tout premier réacteur nucléaire a commencé sur le court de tennis sous les tribunes ouest du stade de Chicago. Tous les travaux ont été effectués par les scientifiques eux-mêmes. La réaction peut être contrôlée de la seule manière - en ajustant le nombre de neutrons impliqués dans la réaction en chaîne. Fermi envisageait de le faire avec des tiges fabriquées à partir de matériaux tels que le bore et le cadmium, qui absorbent fortement les neutrons. Des briques de graphite ont servi de modérateur, à partir desquelles les physiciens ont érigé des colonnes de 3 m de haut et 1 m de large, entre lesquelles ont été installés des blocs rectangulaires contenant de l'oxyde d'uranium. Environ 2 tonnes d'oxyde d'uranium et 46 tonnes de graphite sont entrées dans l'ensemble de la structure. Pour ralentir la réaction, des tiges de cadmium et de bore introduites dans le réacteur ont servi. Si cela ne suffisait pas, alors pour l'assurance, sur une plate-forme située au-dessus du réacteur, il y avait deux scientifiques avec des seaux remplis d'une solution de sels de cadmium - ils étaient censés les verser sur le réacteur si la réaction devenait incontrôlable. Heureusement, ce n'était pas obligatoire. Le 2 décembre 1942, Fermi ordonna de rallonger toutes les barres de contrôle et l'expérience commença. Quatre minutes plus tard, les compteurs de neutrons ont commencé à claquer de plus en plus fort. À chaque minute, l'intensité du flux de neutrons augmentait. Cela indiquait qu'une réaction en chaîne avait lieu dans le réacteur. Cela a duré 28 minutes. Puis Fermi a signalé, et les tiges abaissées ont arrêté le processus. Ainsi, pour la première fois, l'homme libéra l'énergie du noyau atomique et prouva qu'il pouvait la contrôler à volonté. Désormais, il ne faisait plus aucun doute que les armes nucléaires étaient une réalité. En 1943, le réacteur de Fermi est démantelé et transporté au Laboratoire national d'Aragon (à 50 km de Chicago). Un autre réacteur nucléaire a été bientôt construit ici, dans lequel l'eau lourde a été utilisée comme modérateur. Il s'agissait d'un réservoir cylindrique en aluminium contenant 6 tonnes d'eau lourde, dans lequel 5 barres d'uranium métal étaient chargées verticalement, enfermées dans une coque en aluminium. Les sept barres de contrôle étaient en cadmium. Autour du réservoir se trouvait un réflecteur en graphite, puis un écran en alliages de plomb et de cadmium. L'ensemble de la structure était enfermé dans une coque en béton d'une épaisseur de paroi d'environ 120 M. Des expériences sur ces réacteurs expérimentaux ont confirmé la possibilité d'une production industrielle de plutonium. Le centre principal du "Manhattan Project" est rapidement devenu la ville d'Oak Ridge dans la vallée de la rivière Tennessee, dont la population est passée en quelques mois à 79 1943 personnes. Ici, en peu de temps, la première usine de production d'uranium enrichi a été construite. Immédiatement en 1944, un réacteur industriel a été lancé qui a produit du plutonium. En février 300, environ XNUMX kg d'uranium en étaient extraits quotidiennement, à la surface desquels du plutonium était obtenu par séparation chimique. (Pour ce faire, le plutonium a d'abord été dissous puis précipité.) L'uranium purifié a ensuite été renvoyé dans le réacteur. La même année, dans le désert aride et désolé de la rive sud du fleuve Columbia, la construction de l'immense usine de Hanford a commencé. Trois puissants réacteurs nucléaires s'y trouvaient, produisant plusieurs centaines de grammes de plutonium par jour. Parallèlement, les recherches battaient leur plein pour développer un procédé industriel d'enrichissement de l'uranium. Après avoir envisagé différentes options, Groves et Oppenheimer ont décidé de se concentrer sur deux méthodes : la diffusion gazeuse et l'électromagnétisme. La méthode de diffusion gazeuse était basée sur un principe connu sous le nom de loi de Graham (elle a été formulée pour la première fois en 1829 par le chimiste écossais Thomas Graham et développée en 1896 par le physicien anglais Reilly). Conformément à cette loi, si deux gaz, dont l'un est plus léger que l'autre, sont passés à travers un filtre avec des ouvertures négligeables, alors un peu plus de gaz léger le traversera que de gaz lourd. En novembre 1942, Urey et Dunning de l'Université Columbia ont créé une méthode de diffusion gazeuse pour séparer les isotopes de l'uranium basée sur la méthode Reilly. L'uranium naturel étant un solide, il a d'abord été converti en fluorure d'uranium (UF6). Ce gaz a ensuite été passé à travers des trous microscopiques - de l'ordre du millième de millimètre - dans le septum du filtre. Étant donné que la différence entre les poids molaires des gaz était très faible, derrière le déflecteur, la teneur en uranium 235 n'a augmenté que d'un facteur de 1,0002. Afin d'augmenter encore plus la quantité d'uranium 235, le mélange résultant est à nouveau passé à travers une cloison et la quantité d'uranium est à nouveau augmentée de 1 fois. Ainsi, pour augmenter la teneur en uranium 0002 à 235%, il a fallu faire passer le gaz à travers 99 filtres. Cela a eu lieu dans une énorme usine de diffusion gazeuse à Oak Ridge. En 1940, sous la direction d'Ernst Lawrence à l'Université de Californie, des recherches ont commencé sur la séparation des isotopes de l'uranium par la méthode électromagnétique. Il était nécessaire de trouver de tels processus physiques qui permettraient de séparer les isotopes en utilisant la différence de leurs masses. Lawrence a tenté de séparer les isotopes en utilisant le principe d'un spectrographe de masse - un instrument qui détermine les masses des atomes. Le principe de son fonctionnement était le suivant : des atomes pré-ionisés étaient accélérés par un champ électrique, puis traversaient un champ magnétique dans lequel ils décrivaient des cercles situés dans un plan perpendiculaire à la direction du champ. Comme les rayons de ces trajectoires étaient proportionnels à la masse, les ions légers se retrouvaient sur des cercles de plus petit rayon que les lourds. Si des pièges étaient placés sur le chemin des atomes, il était alors possible de collecter séparément différents isotopes.
C'était la méthode. Dans des conditions de laboratoire, il a donné de bons résultats. Mais la construction d'une usine dans laquelle la séparation isotopique pourrait être effectuée à l'échelle industrielle s'est avérée extrêmement difficile. Cependant, Lawrence a finalement réussi à surmonter toutes les difficultés. Le résultat de ses efforts fut l'apparition du calutron, qui fut installé dans une usine géante à Oak Ridge.
Cette centrale électromagnétique a été construite en 1943 et s'est avérée être peut-être l'idée la plus chère du projet Manhattan. La méthode de Lawrence nécessitait un grand nombre de dispositifs complexes, encore non développés, impliquant des champs magnétiques à haute tension, à vide poussé et puissants. Les coûts étaient énormes. Calutron possédait un électroaimant géant dont la longueur atteignait 75 m et pesait environ 4000 XNUMX tonnes. Plusieurs milliers de tonnes de fil d'argent sont entrées dans les bobinages de cet électroaimant. L'ensemble des travaux (à l'exclusion du coût de 300 millions de dollars d'argent, que le Trésor public n'a fourni que temporairement) a coûté 400 millions de dollars. Rien que pour l'électricité dépensée par le calutron, le ministère de la Défense a payé 10 millions. Une grande partie de l'équipement de l'usine d'Oak Ridge était supérieure en termes d'échelle et de précision à tout ce qui avait jamais été développé sur le terrain. Mais toutes ces dépenses n'ont pas été vaines. Après avoir dépensé un total d'environ 2 milliards de dollars, les scientifiques américains ont créé en 1944 une technologie unique pour l'enrichissement de l'uranium et la production de plutonium. Pendant ce temps, au laboratoire de Los Alamos, ils travaillaient sur la conception de la bombe elle-même. Le principe de son fonctionnement était depuis longtemps clair dans ses grandes lignes : la matière fissile (plutonium ou uranium 235) devait être passée dans un état critique au moment de l'explosion (pour qu'une réaction en chaîne se produise, la masse de la charge doit être encore sensiblement supérieure à la charge critique) et irradiée par un faisceau de neutrons, ce qui a entraîné le début d'une réaction en chaîne. Selon les calculs, la masse critique de la charge dépassait 50 kilogrammes, mais elle pourrait être considérablement réduite. En général, l'ampleur de la masse critique est fortement influencée par plusieurs facteurs. Plus la surface de la charge est grande, plus les neutrons sont émis inutilement dans l'espace environnant. Une sphère a la plus petite surface. Par conséquent, les charges sphériques, toutes choses égales par ailleurs, ont la plus petite masse critique. De plus, la valeur de la masse critique dépend de la pureté et du type de matières fissiles. Elle est inversement proportionnelle au carré de la densité de ce matériau, ce qui permet, par exemple, en doublant la densité, de réduire la masse critique d'un facteur quatre. Le degré de sous-criticité requis peut être obtenu, par exemple, en compactant la matière fissile due à l'explosion d'une charge explosive classique réalisée sous la forme d'une enveloppe sphérique entourant la charge nucléaire. La masse critique peut également être réduite en entourant la charge d'un écran qui réfléchit bien les neutrons. Le plomb, le béryllium, le tungstène, l'uranium naturel, le fer et bien d'autres peuvent être utilisés comme écran.
L'une des conceptions possibles de la bombe atomique consiste en deux morceaux d'uranium qui, lorsqu'ils sont combinés, forment une masse supérieure à la masse critique. Pour provoquer l'explosion d'une bombe, vous devez les réunir le plus rapidement possible. La deuxième méthode est basée sur l'utilisation d'une explosion convergente vers l'intérieur. Dans ce cas, le flux de gaz d'un explosif conventionnel était dirigé vers la matière fissile située à l'intérieur et la comprimait jusqu'à ce qu'elle atteigne une masse critique. La connexion de la charge et son irradiation intense avec des neutrons, comme déjà mentionné, provoque une réaction en chaîne, à la suite de laquelle, dans la première seconde, la température monte à 1 million de degrés. Pendant ce temps, seulement environ 5% de la masse critique a réussi à se séparer. Le reste de la charge dans les bombes de la première conception s'est évaporé en vain. La première bombe atomique de l'histoire (nommée Trinity) a été assemblée à l'été 1945. Et le 16 juin 1945, la première explosion atomique sur Terre a eu lieu sur le site d'essais nucléaires du désert d'Alamogordo (Nouveau-Mexique). La bombe a été placée au centre du site d'essai au sommet d'une tour en acier de 30 mètres. L'équipement d'enregistrement a été placé autour d'elle à une grande distance. À 9 km, il y avait un poste d'observation et à 16 km - un poste de commandement. L'explosion atomique a fait une énorme impression sur tous les témoins de cet événement.
Selon la description des témoins oculaires, il y avait le sentiment que de nombreux soleils fusionnaient en un seul et éclairaient le polygone à la fois. Puis une énorme boule de feu est apparue au-dessus de la plaine, et un nuage rond de poussière et de lumière a commencé à s'élever lentement et de manière inquiétante vers elle. Après avoir décollé du sol, cette boule de feu a volé jusqu'à une hauteur de plus de trois kilomètres en quelques secondes. À chaque instant, sa taille augmentait, son diamètre atteignait bientôt 1 km et il s'élevait lentement dans la stratosphère. La boule de feu a ensuite cédé la place à une colonne de fumée tourbillonnante, qui s'est étirée sur une hauteur de 5 km, prenant la forme d'un champignon géant. Tout cela était accompagné d'un rugissement terrible, d'où la terre trembla. La puissance de la bombe explosée a dépassé toutes les attentes. Dès que la situation de rayonnement l'a permis, plusieurs chars Sherman, doublés de plaques de plomb de l'intérieur, se sont précipités dans la zone d'explosion. Sur l'un d'eux se trouvait Fermi, impatient de voir les résultats de son travail. De la terre brûlée morte est apparue devant ses yeux, sur laquelle toute vie a été détruite dans un rayon de 1 km. Le sable s'est fritté en une croûte verdâtre vitreuse qui recouvrait le sol. Dans un immense cratère gisaient les restes mutilés d'une tour de support en acier. La force de l'explosion a été estimée à 5 20000 tonnes de TNT. L'étape suivante devait être l'utilisation au combat de la bombe contre le Japon qui, après la capitulation de l'Allemagne fasciste, continuait seul la guerre avec les États-Unis et ses alliés. Il n'y avait pas de lanceurs à l'époque, donc le bombardement devait être effectué à partir d'un avion. Les composants des deux bombes ont été transportés avec le plus grand soin par l'USS Indianapolis jusqu'à l'île de Tinian, où était basé le 509th Composite Group de l'US Air Force. Par type de charge et de conception, ces bombes étaient quelque peu différentes les unes des autres. La première bombe - "Kid" - était une bombe aérienne de grande taille avec une charge atomique d'uranium-235 hautement enrichi. Sa longueur était d'environ 3 m, diamètre - 62 cm, poids - 4 tonnes.La deuxième bombe - "Fat Man" - avec une charge de plutonium-1 avait une forme en forme d'oeuf avec un stabilisateur de grande taille. Sa longueur était de 239 m, son diamètre de 3 m et son poids de 2 tonnes. Le 6 août, le bombardier Enola Gay B-29 du colonel Tibbets a largué le "Kid" sur la grande ville japonaise d'Hiroshima. La bombe a été larguée en parachute et a explosé, comme prévu, à une altitude de 600 m du sol. Les conséquences de l'explosion ont été terribles. Même sur les pilotes eux-mêmes, la vue de la ville paisible détruite par eux en un instant a fait une impression déprimante. Plus tard, l'un d'eux a admis avoir vu à ce moment la pire chose qu'une personne puisse voir. Pour ceux qui étaient sur terre, ce qui se passait ressemblait à un véritable enfer. Tout d'abord, une vague de chaleur est passée sur Hiroshima. Son action n'a duré que quelques instants, mais elle était si puissante qu'elle a fait fondre même des tuiles et des cristaux de quartz dans des dalles de granit, a transformé des poteaux téléphoniques en charbon à une distance de 4 km et, finalement, a tellement incinéré des corps humains qu'il n'en restait que des ombres. sur l'asphalte des trottoirs ou sur les murs des maisons. Puis une rafale de vent monstrueuse s'est échappée sous la boule de feu et s'est précipitée sur la ville à une vitesse de 800 km/h, balayant tout sur son passage. Les maisons qui n'ont pu résister à son assaut furieux se sont effondrées comme si elles avaient été abattues. Dans un cercle géant de 4 km de diamètre, pas un seul bâtiment n'est resté intact. Quelques minutes après l'explosion, une pluie noire radioactive est passée sur la ville - cette humidité s'est transformée en vapeur condensée dans les hautes couches de l'atmosphère et est tombée au sol sous forme de grosses gouttes mélangées à de la poussière radioactive. Après la pluie, une nouvelle rafale de vent a frappé la ville, soufflant cette fois en direction de l'épicentre. Il était plus faible que le premier, mais encore assez fort pour déraciner les arbres. Le vent a attisé un gigantesque incendie dans lequel brûlait tout ce qui pouvait brûler. Sur les 76 55 bâtiments, XNUMX XNUMX ont été complètement détruits et incendiés. Les témoins de cette terrible catastrophe se souviennent des personnes-torches dont les vêtements brûlés sont tombés au sol avec des lambeaux de peau, et des foules de gens désemparés, couverts de terribles brûlures, qui se sont précipités en hurlant dans les rues. Il y avait une odeur suffocante de chair humaine brûlée dans l'air. Des gens gisaient partout, morts et mourants. Il y en avait beaucoup qui étaient aveugles et sourds et, fouillant dans toutes les directions, ne distinguaient rien dans le chaos qui régnait autour. Les malheureux, qui étaient de l'épicentre à une distance allant jusqu'à 800 m, ont brûlé en une fraction de seconde au sens littéral du terme - leurs entrailles se sont évaporées et leurs corps se sont transformés en morceaux de charbons fumants. Situés à 1 km de distance de l'épicentre, ils ont été frappés par le mal des rayons sous une forme extrêmement grave. En quelques heures, ils ont commencé à vomir abondamment, la température a grimpé à 39-40 degrés, un essoufflement et des saignements sont apparus. Ensuite, des ulcères non cicatrisants sont apparus sur la peau, la composition du sang a changé de façon spectaculaire et les cheveux sont tombés. Après de terribles souffrances, généralement le deuxième ou le troisième jour, la mort est survenue. Au total, environ 240 160 personnes sont mortes des suites de l'explosion et de la maladie des radiations. Environ 9 XNUMX personnes ont été atteintes du mal des rayons sous une forme plus bénigne - leur mort douloureuse a été retardée de plusieurs mois ou années. Lorsque la nouvelle de la catastrophe se répandit dans tout le pays, tout le Japon fut paralysé par la peur. Il a encore augmenté après que l'avion Box Car du major Sweeney a largué une deuxième bombe sur Nagasaki le XNUMX août. Plusieurs centaines de milliers d'habitants ont également été tués et blessés ici. Incapable de résister aux nouvelles armes, le gouvernement japonais a capitulé - la bombe atomique a mis fin à la Seconde Guerre mondiale. La guerre est finie. Cela n'a duré que six ans, mais a réussi à changer le monde et les gens presque au-delà de la reconnaissance. La civilisation humaine avant 1939 et la civilisation humaine après 1945 sont très différentes l'une de l'autre. Il y a plusieurs raisons à cela, mais l'une des plus importantes est l'émergence des armes nucléaires. On peut dire sans exagération que l'ombre d'Hiroshima s'étend sur toute la seconde moitié du XXe siècle. C'est devenu une profonde brûlure morale pour plusieurs millions de personnes, à la fois celles qui étaient contemporaines de cette catastrophe et celles qui sont nées des décennies après. L'homme moderne ne peut plus penser le monde comme on le pensait avant le 6 août 1945 - il comprend trop clairement que ce monde peut se transformer en néant en quelques instants. Une personne moderne ne peut pas regarder la guerre, comme l'ont regardé ses grands-pères et arrière-grands-pères - il sait avec certitude que cette guerre sera la dernière et qu'il n'y aura ni gagnants ni perdants. Les armes nucléaires ont marqué toutes les sphères de la vie publique, et la civilisation moderne ne peut pas vivre selon les mêmes lois qu'il y a soixante ou quatre-vingts ans. Personne ne l'a mieux compris que les créateurs de la bombe atomique eux-mêmes. "Les peuples de notre planète", écrivait Robert Oppenheimer, "devraient s'unir. L'horreur et la destruction semées par la dernière guerre nous dictent cette idée. Les explosions de bombes atomiques l'ont prouvé avec toute la cruauté. D'autres personnes à d'autres moments ont dit la même chose. mots - seulement à propos d'autres armes et d'autres guerres. Ils n'ont pas réussi. Mais quiconque dit aujourd'hui que ces mots sont inutiles est trompé par les vicissitudes de l'histoire. Nous ne pouvons en être convaincus. Les résultats de notre travail ne laissent à l'humanité d'autre choix que pour créer un monde solidaire. Un monde fondé sur le droit et l'humanisme. Auteur : Ryzhov K.V.
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