История и методология технической физики

5 НЕМЕЦКАЯ ЯДЕРНАЯ ПРОГРАММА

В декабре 1938 года немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман впервые в мире осуществили искусственное расщепление ядра атома урана.

В 1939 году рабочая группа профессора А. Эзау по проблеме ядерной энергии при рейхсминистерстве образования инициировала принятие закона о запрете вывоза урана из Германии. У бельгийской фирмы Union Miniere в Бельгийском Конго было срочно закуплено большое количество урановой руды.

26 сентября 1939 года Управление армейских  вооружений для рассмотрения  вопроса о способах создания  ядерного оружия собрало специалистов  в области ядерной физики, на  которое были приглашены Пауль Гартек, Ганс Вильгельм Гейгер, Вальтер Боте, Курт Дибнер, а также Карл-Фридрих фон Вайцзеккер и Вернер Гейзенберг. На нём было принято решение засекретить все работы, имеющие прямое или косвенное отношение к урановой проблеме. Осуществление программы, получившей название «Урановый проект».

Разработками  ведал имперский министр вооружений Альберт Шпеер, административным руководителем группы Гейзенберга, Отто Гана, Вайцзеккера и др., стал физик Эрих Шуман.

Концерн «ИГ Фарбениндустри» начал изготовление шестифтористого урана, пригодного для получения урана-235, а также сооружение полупромышленной установки по разделению изотопов. Она представляла собой две концентрические трубы, одна из которых (внутренняя) нагревалась, а вторая (наружная) охлаждалась. Между ними должен был подаваться газообразный шестифтористый уран и при этом более легкие изотопы (уран-235) должны были бы подниматься вверх быстрее, а более тяжелые (уран-238) медленнее, что позволило бы отделять их друг от друга (метод Клузиуса — Диккеля).

Тогда же Вернер Гейзенберг начал теоретические  работы по конструированию ядерного реактора. В своём отчёте «Возможность технического получения энергии  при расщеплении урана», законченном  в декабре 1939 г., Гейзенберг пришёл к  следующему выводу: «В целом можно  считать, что при смеси уран —  тяжелая вода в шаре радиусом около 60 см, окружённом водой (около 1000 кг тяжелой воды и 1200 кг урана), начнется спонтанное выделение энергии». Одновременно Гейзенберг рассчитал параметры другого реактора, в котором уран и тяжёлая вода не смешивались, а располагались слоями. По его мнению, «процесс расщепления поддерживался бы долгое время», если бы установка состояла из слоёв урана толщиной 4 см и площадью около 1 м², перемежаемых слоями тяжелой воды толщиной около 5 см, причем после трехкратного повторения слоев урана и тяжелой воды необходим слой чистого углерода (10-20 см), а весь реактор снаружи также должен быть окружен слоем чистого углерода.

В серии  опытов, проведённых в августе  — сентябре 1941 г. в Лейпциге, В. Гейзенберг, К. Ф. фон Вайцзеккер и Р. Дёпель добились положительного результата размножения нейтронов, что служило доказательством протекавшей в массе урана цепной реакции, однако эта реакция ещё не была самоподдерживавшейся.

К февралю 1942 года был построен первый немецкий реактор. Это был опытный реактор  Лейпцигского института, разработанный  профессором Гейзенбергом и профессором  Р. Дёпелем.

«Урановая машина» (так называли реактор) состояла из двух алюминиевых полусфер, с  помещенными внутри 572 килограммами урана в виде порошка и 140 килограммами тяжёлой воды. Вес реактора, размещённого внутри резервуара с водой, приближался  к тонне. Внутри сферы с урановой начинкой был помещен своеобразный импульсный нейтронный инициатор в  виде радий-бериллиевого первичного источника нейтронов. Измерения потока нейтронов из загруженного реактора показали, что поверхности реактора достигало гораздо больше нейтронов, чем излучал их первичный радий-бериллиевый источник и Р. Дёпель послал сообщение в отдел вооружений вермахта, что реактор работает.

В конце  февраля 1945 г. реактор B VIII прибыл из Берлина  в деревню Хайгерлох недалеко от швейцарской границы. Реактор состоял из активной зоны, состоящей из 664 кубиков урана общим весом 1525 кг, окружённой графитовым замедлителем-отражателем нейтронов весом 10 тонн. В марте 1945 г. в активную зону дополнительно влили ещё 1,5 тонны тяжёлой воды. 23 марта 1945 г. профессор Герлах позвонил в Берлин и доложил, что реактор работает. Но радость была преждевременна — реактор не сумел достичь критической точки. После перерасчётов оказалось, что количество урана необходимо увеличить ещё на 750 кг, а кроме того увеличить количество тяжёлой воды, запасов которой уже не оставалось. Конец Третьего рейха неумолимо приближался, и 23 апреля в Хайгерлох вошли американские войска. Реактор был вывезен в США.

6 СОВЕТСКАЯ РАЗВЕДКА И АТОМНЫЙ ПРОЕКТ СССР 

В СССР еще до войны было сделано открытие спонтанного деления ядра урна учеными Радиевого Института Академии Наук СССР Флеровым и Петржаком. Это означает, что советская наука об атоме была на пороге того же открытия, что и немецкая радиохимия. Но после нападения Германии на СССР нам было уже не до своего уранового проекта. Сложилась ситуация, при которой в НКВД стали поступать сведения об атомных проектах Англии и США.  В конце сентября 1941 года в Москве становится известно о Совещании в Англии «Комитета по урану». Чиновники НКВД готовят «Записку» наркому Берии, Берия, получив «Записку», тут же готовит письмо Сталину. Но немцы под Москвой и у Сталина другие заботы, поэтому «Записка» придерживается.

Как только немцев отогнали от Москвы, Сталин знакомится с «Запиской», и  28 сентября 1942 года он подписывает Распоряжение № 2335сс «Об организации работ по урану». За урановый проект отвечает заместитель председателя ГКО В.М.Молотов. Предусмотрено создание специальной лаборатории № 2. В 1943 году И.В.Курчатова избирают в академики. Молотов поручает Курчатову дать своё заключение по материалам разведки. Помимо тех ученых, которые уже занимаются Атомным проектом СССР, Курчатов предлагает привлечь Алиханова и его группу, Харитона и Зельдовича, Кикоина, Александрова и его группу. А в СК ввести академиков Иоффе, Капицу и Семенова.

Летом 1943 года Курчатов из разведывательных материалов узнаёт о пуске в США  уран-графитового котла. Это было крупнейшее явление в мировой  науке и технике. 1-е Управление НКГБ СССР предоставило Курчатову «Обзорную  работу по проблеме урана». Так, благодаря  способности Берии организовать разведработу, Курчатов получает сведения из самого сердца «Манхэттенского проекта».

Ключевым вопросом успеха всех атомных  проектов было наличие у разработчика ядерных материалов – урана. В  поверженной Германии американцы старались  опередить нас, и чаще всего это  им удавалось. Но кое-что удалось  и нам. Курчатов в Москве своими руками собирает первый в Европе атомный  реактор, который пока не имеет системы  отвода тепла. На пуске реактора присутствует Л.П.Берия и Н.И.Павлов. Позднее  Курчатов добьется постоянной работы этого реактора на долгие годы. 

Историки привыкли считать американские атомные бомбардировки Японии переломным моментом в советском Атомном  проекте. На самом деле великий перелом  произошёл раньше. 3 декабря 1944 года И.В.Сталин утвердил Постановление  ГКО № 7069сс «О неотложных мерах по обеспечению развертывания работ, проводимых Лабораторией № 2 АН СССР», явившееся важной вехой в истории  советского Атомного проекта. Заключительный пункт этого постановления гласил: «Возложить на т. Берия Л.П. наблюдение за развитием работ по урану». Этот пункт юридически закреплял ответственность  Л.П.Берия за дальнейшую судьбу советского Атомного проекта.

Кроме всего прочего, был проведён поголовный подсчёт специалистов-физиков. Их оказалось 4212. Но среди их не было физиков-ядерщиков. Их начинают экстренно  готовить. Они и составят в последствии основной костяк работников атомных городов Арзамаса-16, Челябинска-40, Челябинска-70, Семипалатинского полигона. 

18 августа 1949 года был подготовлен  проект Постановления СМ СССР «О проведении испытания атомной бомбы». 26 августа Л.П.Берия перед отъездом на полигон на испытание атомной бомбы подписал Протокол заседания Специального комитета, повестка которого была обозначена так: «Об испытании первого экземпляра атомной бомбы». Сформулированное в Протоколе решение гласило: «Принять внесенный т.т. Ванниковым, Курчатовым и Первухиным проект Постановления Совета Министров   Союза ССР «Об испытании атомной бомбы» и представить его на утверждение Председателя Совета Министров Союза ССР товарища Сталина И.В. (проект прилагается)». Проект предписывал «испытание атомной бомбы произвести 29-30 августа 1949 года на полигоне № 2 (в 170 километрах западнее г. Семипалатинска). Испытание первой советской атомной бомбы РДС-1 было проведено 29 августа 1949 года на основании проекта Постановления СМ СССР, принятого Специальным комитетом 26 августа 1949 года. Атомный взрыв зафиксирован с помощью специальных приборов, а также наблюдениями непосредственно участвовавших в проведении испытания членов Специального комитета т.т. Берия, Курчатова, Первухина, Завенягина и Махнёва. После того как ядерная монополия США была ликвидирована, начался новый виток ядерной гонки: «Создание термоядерной бомбы». В НИР и ОКР этого направления СССР опередил США, хотя американцы первыми успели освоить реакцию синтеза и произвести термоядерный взрыв.

Мощность нашего первого термоядерного  заряда тоже имела свой предел. Это  была усиленная атомная бомба, по принципу работы которой её стали  звать «слойкой». Её тротиловый эквивалент составлял 400 Кт, но её вполне мог к  цели доставить самолет. 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне была успешно испытана первая советская термоядерная бомба.

7 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ОИЯИ

Первая  электронно-вычислительная машина Урал-1 (производительностью 100 операций в секунду и памятью на магнитном барабане) появилась в ОИЯИ еще до создания ЛВТА в 1958 году. На ней сотрудники Вычислительного центра ОИЯИ получили первый опыт по созданию программного обеспечения для научных расчетов, по анализу фильмовой информации с 24-литровой пропановой пузырьковой камеры, облученной на пучках синхрофазотрона ОИЯИ. Очень скоро опыт по применению вычислительной техники выявил потребность в самом разнообразном использовании вычислительных машин, что предопределило, в конечном счете, создание в ОИЯИ высокопроизводительного многомашинного комплекса с развитой иерархической структурой. Создание такого комплекса стало реальным по мере появления все более надежных, мощных, универсальных и специализированных ЭВМ. Работа коллектива сотрудников ЛВТА впоследствии обеспечила создание такого вычислительного комплекса ОИЯИ, который развивался по мере поступления и освоения новых ЭВМ. К началу 80-х годов основу и самый верхний уровень Центрального вычислительного комплекса (ЦВК) ОИЯИ составили электронно-вычислительные машины БЭСМ-6, CDC-6500, EC-1060 и EC-1061. Эти базовые машины предназначались для выполнения сложных расчетов и решения математических задач, а также для обработки большого объема экспериментальной информации, получаемой на ускорителях и импульсном реакторе ОИЯИ. С начала 90-х годов появились новые возможности приобретения вычислительной техники для ОИЯИ. Одним из первых шагов в этом направлении было расширение сети ЕТНЕRNЕТ на все лаборатории Института и переход от последовательной

архитектуры к более перспективной – звездообразной. Так создавалась локальная сеть ОИЯИ. Затем последовали различные варианты использования спутниковых, а также наземных линий связи для вхождения в европейскую и американскую глобальные компьютерные сети для науки и образования. При дальнейшем развитии ЦВК ОИЯИ, теперь уже под названием Центрального информационно-вычислительного комплекса (ЦИВК) ОИЯИ, учитывается прогресс в развитии так называемых GRID-технологий и построения компьютерной инфраструктуры нового типа, обеспечивающей глобальную (всемирную) интеграцию информационных и вычислительных ресурсов. При этом для организации надежного хранения и оперативного доступа к разнообразной информации используются технологии корпоративных хранилищ данных. На смену кластерам рабочих станций на RISC-процессорах и многопроцессорным серверам приходят серверы, вычислительные кластеры и фермы на базе процессоров Pentium. Основой программного обеспечения ЦИВК ОИЯИ становится операционная система LINUX . В настоящее время информационные методы все шире внедряются в научную деятельность. В ЛИТ ведутся работы по развитию и сопровождению базовых WWW серверов ОИЯИ и ЛИТ, по оптимизации научно-информационного поиска, обеспечению прозрачного доступа к разнообразным информационным ресурсам ОИЯИ и к мировым электронным библиотечно-информационным ресурсам, в том числе физических научных центров, университетов России и других стран-участниц ОИЯИ, научно-технических библиотек.

8 ГОНКА ВООРУЖЕНИЯ

Гонкой вооружений принято называть политическое противостояние двух или  нескольких держав за превосходство  в области вооруженных сил. В  ходе такого противостояния каждая из сторон производит огромные запасы оружия, пытаясь установить паритет с  противником или обогнать его.

Начало ее было связано с атомным  оружием. Как известно, в 1945 г. США  оказались единственной ядерной  державой в мире. В ходе войны  с Японией они взорвали атомные  бомбы над японскими городами Хиросимой и Нагасаки. Стратегическое превосходство привело к тому, что американские военные стали  строить различные планы превентивного  удара по СССР. Но американская монополия  на ядерное оружие сохранялась только четыре года.

Усилия СССР, в частности советской  разведки, были направлены на то, чтобы  ликвидировать монополию США  на обладание ядерным оружием. 29 августа 1949 года в Советском Союзе  были проведены первые испытания  ядерной бомбы на Семипалатинском  ядерном полигоне. Хотя СССР теперь тоже располагал ядерным потенциалом, США были далеко впереди как по количеству зарядов, так и по числу бомбардировщиков. При любом конфликте США легко смогли бы нанести бомбовый удар по СССР, тогда как СССР с трудом смог бы ответить на это.

Переход к широкомасштабному использованию  реактивных истребителей-перехватчиков  несколько изменил эту ситуацию в пользу СССР, снизив потенциальную  эффективность американской бомбардировочной авиации. В ответ на численное  увеличение советской бомбардировочной авиации в 1950-е годы США создали  вокруг крупных городов довольно крепкую эшелонированную систему  ПВО, предусматривающую использование  самолётов-перехватчиков, зенитной артиллерии и ракет «земля-воздух». Но во главе  угла всё же стояло строительство огромной армады ядерных бомбардировщиков, которым было предназначено сокрушить оборонительные рубежи СССР поскольку считалось невозможным обеспечить эффективную и надёжную защиту столь обширной территории.

Такой подход прочно укоренился в стратегических планах США , считалось, что причин для особого беспокойства нет, пока стратегические силы США своей мощью превосходят общий потенциал советских Вооружённых сил. Более того, по мнению американских стратегов, советская экономика, разрушенная в годы войны, вряд ли была способна на создание адекватного контрсилового потенциала.

Однако СССР быстро создал собственную  стратегическую авиацию и испытал  в 1957 году межконтинентальную баллистическую ракету (МБР) Р-7, способную достигать  территории США. С 1959 года в Советском  Союзе началось серийное производство МБР, а в январе 1960 г. ракета была испытана на предельной дальности. С середины 1950-х годов в США начинают осознавать, что в случае ядерной войны СССР сумеет нанести ответный удар по американским городам. Поэтому с конца 1950-х годов военные эксперты признают, что тотальная ядерная война США с СССР становится невозможной.