Теперь на Холм регулярно поставлялся обогащенный уран, и Фриш разработал хитроумный способ проверить теоретические расчеты и одновременно точно определить, сколько именно ядерного топлива понадобится для создания бомбы. Он подал в Координационный совет, контролировавший различные лос-аламосские проекты, предложение провести серию экспериментов. Он достаточно удивился, когда узнал, что предложение принято.
Группа уже имела большой опыт работы конструкциями из уложенных друг на друга блоков гидрида урана. Массу приближали к критической, снижая долю водорода и пропорционально увеличивая содержание урана-235. Такая «голая» конструкция, которую Фриш называл «Леди Годива», была довольно опасна. Сам Фриш получил почти смертельную дозу радиации, когда прислонился к установке слишком близко. От его тела отразилась часть нейтронов. Если бы не препятсвие в виде тела ученого, нейтроны вылетели бы из конструкции. А так как они вернулись обратно, сборка стала критической. Фриш заметил, что маленькие красные лампочки, индикаторы интенсивности нейтронов, перестали мигать — они ярко светились, а счетчики нейтронов были перегружены. Фриш поспешно остановил эксперимент.
Теперь предстояло узнать, как обеспечить при работе с критическими и сверхкритическими сборками относительную безопасность. Фриш предлагал собирать блоки из обогащенного гидрида урана в конфигурации, близкие к критическим, но оставлять в центре сборки сквозное отверстие, а затем загнать в это отверстие еще один блок обогащенного гидрида урана (его назвали «ядром»), чтобы сборка стала критической мгновенно, в момент прохождения ядра через сборку и еще до того, как оно из конструкции выпадет.
Фейнман, эксперт Координационного совета, интуитивно понял, что эксперимент многообещающий, и уподобил его «дерганию за хвост спящего дракона». С тех пор этот опыт стали называть драконьим. «Это практически значило, что мы можем запустить атомный взрыв, ничего на самом деле не взрывая». Объективно ситуация была опасной. Если ядро застрянет, проскакивая через сборку, масса станет критической и физики получат смертельные дозы радиации. Фриш был уверен, что эксперименты можно проводить без риска, но при этом настаивал, чтобы никто не работал со сборкой в одиночку.
Став руководителем группы, Фриш сконструировал первую из серии таких сборок в небольшой лаборатории в каньоне Омега, немного отдаленной от основного комплекса Лос-Аламоса. Это было сделано зимой в начале 1945 года. Фриш работал круглыми сутками, чтобы провести первые точные измерения критической массы урана-235. Эксперименты были очень успешными. Ядро проскакивало через сборку за доли секунды, и в это мгновение происходил огромный выброс нейтронов, а температура аппарата возрастала на несколько градусов. Максимальный показатель выделения энергии составил 12 миллионов ватт; выброс, длившийся в течение всего лишь трех тысячных долей секунды, увеличил температуру сборки на 6° C. Это был первый опыт изучения сверхкритической массы урана в лабораторных условиях. В начале 1945 года в распоряжении ученых оказалось достаточно урана-235, чтобы собирать конструкции из чистого металла.
По сценарию
Экспериментальный реактор Х-10 в Ок-Ридже представлял собой промежуточное звено между первым реактором из Чикаго и крупными реакторами, которые конструировались в Хэнфорде. Чикагский реактор генерировал совсем мало энергии — не больше ватта. Х-10 давал уже миллион ватт. Три хэнфордских реактора, обозначенные В, D и F, были созданы и эксплуатировались в Дюпоне. Они были рассчитаны на 250 миллионов ватт. Каждый реактор состоял из графитового цилиндра размером 8,5 на 11 метров, весил около 1200 тонн и содержал 2004 равноудаленных алюминиевых трубки, просверленные по всей длине. В этих трубах помещались урановые элементы — цилиндры диаметром около 2,5 см, заключенные в алюминиевую оболочку. В трубы накачивалась охлаждающая вода. Она обтекала урановые элементы со скоростью около 280 000 литров в минуту. Реактор предназначался исключительно для производства плутония — никаких попыток улавливания тепловой энергии, выделяемой реактором, и преобразования ее в электричество не предпринималось.
15 сентября 1944 года Ферми контролировал загрузку в хэнфордский реактор урановых топливных стержней и довел его до «сухого» критического состояния, чтобы механизм функционировал в режиме, близком к нижнему пороговому значению, и не требовал воды для охлаждения. Затем хэнфордские физики добавляли в реактор новые стержни и проводили следующие эксперименты. Все было в порядке. Реактор работал именно так, как следует. На полную мощность он заработал 26 сентября.
В начале 1942 года к работавшей в «Метлабе» группе Вигнера присоединился Джон Уилер. В марте 1943-го он переехал в дюпонский комплекс в город Уилмингтон штат Делавэр. Годом позже он снова сменил место работы, на этот раз оказавшись в Хэнфорде. Уилер проводил возле реактора бессонные ночи, выполняя роль «сиделки». Как-то раз в конце недели, в ночь на 26-е число, Уилер решил пойти домой и все-таки выспаться. Утром он обнаружил, что в его отсутствие не все шло по плану, «реактор работал не по сценарию».
Реактор запустился как обычно и выделил рекордное количество энергии — около девяти миллионов ватт. Потом реактивность стала падать. Когда выход энергии стал снижаться, техники попытались восстановить его, немного вытащив из реактора кадмиевые регулирующие стержни. «Ощущение было такое, как будто ведешь машину по ровной дороге и двигатель начинает барахлить, — писал Уилер впоследствии, — и ты все сильнее жмешь на педаль газа, чтобы поддерживать скорость; но педаль уже в пол — а машина все равно замедляется». К середине дня 27 сентября регулирующие стержни практически целиком вынули из реактора, чтобы он продолжал работать. Вечером стержни извлекли полностью, и все же реактор остановился.
Ферми предполагал, что в реактор могла затечь вода, но Уилер считал, что причина в чем-то другом. Всего через несколько недель после перехода в «Метлаб» он написал доклад о возможности «самоотравления» реактора собственными продуктами реакции.
Когда в 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что в результате бомбардировки урана нейтронами синтезируется барий, они открыли стабильный конечный продукт долгой и сложной серии ядерных реакций. Когда уран-235 захватывает нейтрон, делится нестабильное ядро урана-236. В ходе одной из возможных ядерных реакций получается цирконий (Zr-98), теллур (Те-135) и три нейтрона. Изотоп циркония радиоактивен, из него получается ниобий, а затем молибден. Аналогично радиоактивный изотоп теллура распадается сначала до йода, потом до ксенона, далее — до цезия и наконец до бария.
Уилер решил, что если один из продуктов этих реакций имеет высокое сродство к нейтронам, то он будет ингибировать ядерную реакцию, поглощая свободные нейтроны до тех пор, пока их не станет слишком мало и реакция остановится. Чем больше синтезируется «яда», тем сложнее поддерживать производительность реактора. В конечном счете «яд» подавит реакцию и реактор остановится. В апреле 1942 года Уилл ер сделал еще некоторые расчеты и пришел к выводу, что самоотравление может стать серьезной проблемой лишь в том случае, если один из промежуточных продуктов реактора имеет сильный «аппетит» на медленные, «термические» нейтроны, причем интенсивность захвата нейтронов у такого продукта должна быть примерно в 150 раз выше, чем у самого урана-235.
