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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
원자 폭탄. 발명과 생산의 역사
핵무기 (또는 원자 무기) - 일련의 핵무기, 목표물에 대한 전달 수단 및 통제 수단. 생화학무기와 함께 대량살상무기를 일컫는다. 핵 탄약은 무거운 핵분열의 눈사태와 같은 핵 연쇄 반응 및 / 또는 가벼운 핵의 열핵 융합 반응의 결과로 방출되는 핵 에너지의 사용을 기반으로하는 폭발성 무기입니다. 원자의 세계는 너무 환상적이어서 그것을 이해하려면 공간과 시간에 대한 일반적인 개념을 근본적으로 깨야 합니다. 원자는 너무 작아서 한 방울의 물을 지구의 크기로 확대할 수 있다면 그 방울의 각 원자는 오렌지보다 작을 것입니다. 실제로 한 방울의 물은 6000억(6000000000000000000000)의 수소와 산소 원자로 구성되어 있습니다. 그러나 미세한 크기에도 불구하고 원자는 우리 태양계의 구조와 어느 정도 유사한 구조를 가지고 있습니다. 반지름이 XNUMX조분의 XNUMX센티미터 미만인 이해할 수 없을 정도로 작은 중심에는 원자의 핵인 비교적 거대한 "태양"이 있습니다. 이 원자 "태양" 주위에 작은 "행성"인 전자가 회전합니다. 핵은 우주의 두 가지 주요 빌딩 블록인 양성자와 중성자로 구성됩니다. 전자와 양성자는 하전된 입자이며 각각의 전하량은 정확히 동일하지만 전하는 부호가 다릅니다. 양성자는 항상 양전하를 띠고 전자는 항상 음전하를 띠게 됩니다. 중성자는 전하를 운반하지 않으므로 투자율이 매우 높습니다. 원자 측정 규모에서 양성자와 중성자의 질량은 1로 간주됩니다. 따라서 모든 화학 원소의 원자량은 핵에 포함된 양성자와 중성자의 수에 따라 달라집니다. 예를 들어, 핵이 하나의 양성자로 구성된 수소 원자의 원자 질량은 4입니다. 핵이 양성자 XNUMX개와 중성자 XNUMX개인 헬륨 원자의 원자 질량은 XNUMX입니다. 같은 원소의 원자핵은 항상 같은 수의 양성자를 포함하지만 중성자의 수는 다를 수 있습니다. 같은 수의 양성자를 가진 핵을 가지고 있지만 중성자의 수가 다르고 같은 원소의 종류와 관련된 원자를 동위원소라고 합니다. 그것들을 서로 구별하기 위해 주어진 동위 원소의 핵에있는 모든 입자의 합과 같은 숫자가 요소 기호에 할당됩니다. 질문이 생길 수 있습니다. 원자의 핵은 왜 분해되지 않습니까? 결국, 그것에 포함 된 양성자는 동일한 전하를 가진 전하를 띤 입자이며 서로 큰 힘으로 밀어야합니다. 이것은 핵 내부에 핵 입자를 서로 끌어 당기는 소위 핵내 힘이 있다는 사실에 의해 설명됩니다. 이 힘은 양성자의 반발력을 보상하고 핵이 자발적으로 날아가는 것을 허용하지 않습니다. 핵내 세력은 매우 강력하지만 매우 가까운 범위에서만 작용합니다. 따라서 수백 개의 핵자로 구성된 무거운 원소의 핵은 불안정한 것으로 판명되었습니다. 핵의 입자는 여기에서(핵의 부피 내에서) 일정한 운동을 하고 있으며, 여기에 약간의 에너지를 추가하면 내부 힘을 극복할 수 있습니다. 핵은 여러 부분으로 나뉩니다. 이 초과 에너지의 양을 여기 에너지라고 합니다. 무거운 원소의 동위 원소 중에는 자기 붕괴 직전에있는 것처럼 보이는 동위 원소가 있습니다. 예를 들어, 핵분열 반응을 시작하기 위해 중성자 핵에 간단한 타격(고속으로 가속할 필요도 없음)과 같은 작은 "밀기"만 있으면 충분합니다. 이러한 "분열성" 동위원소 중 일부는 나중에 인공적으로 만들어졌습니다. 자연에는 그러한 동위 원소가 하나만 있습니다. 그것은 우라늄-235입니다.
천왕성은 1783년 Klaproth에 의해 발견되었는데, 그는 우라늄 피치에서 그것을 분리하고 최근에 발견된 행성 천왕성의 이름을 따서 명명했습니다. 나중에 밝혀졌듯이 사실은 우라늄 자체가 아니라 그 산화물이었습니다. 은백색 금속인 순수한 우라늄은 1842년 Peligo에 의해 얻어졌습니다. 새로운 원소는 특별한 특성이 없었고 Becquerel이 우라늄 염의 방사능 현상을 발견한 1896년까지 주목받지 못했습니다. 그 후 우라늄은 과학적 연구와 실험의 대상이 되었지만 아직 실용화되지는 않았습니다. 1934 세기의 XNUMX/XNUMX에 원자핵의 구조가 물리학 자에게 다소 분명해 졌을 때 그들은 우선 연금술사의 오랜 꿈을 이루려고 노력했습니다. 그들은 한 화학 원소를 다른 화학 원소로 바꾸려고했습니다. XNUMX년 프랑스의 연구원인 Frederic과 Irene Joliot-Curie 부부는 프랑스 과학 아카데미에 다음 실험에 대해 보고했습니다. 평범하지 않지만 방사성이며, 이는 차례로 안정적인 실리콘 동위원소로 변환됩니다. 따라서 양성자 XNUMX개와 중성자 XNUMX개가 추가된 알루미늄 원자는 더 무거운 규소 원자로 변했습니다. 이 경험은 중성자가 자연에 존재하는 가장 무거운 원소인 우라늄의 핵에 "발사"되면 자연 조건에 존재하지 않는 원소를 얻을 수 있다는 아이디어로 이어졌습니다. 1938년 독일 화학자 Otto Hahn과 Fritz Strassmann은 알루미늄 대신 우라늄을 사용하는 Joliot-Curie 배우자의 경험을 일반적인 용어로 반복했습니다. 실험 결과는 그들이 예상한 것과 전혀 달랐습니다. Hahn과 Strassmann은 질량수가 우라늄보다 큰 새로운 초중원소 대신 주기율표의 중간 부분에서 가벼운 원소인 바륨, 크립톤, 브롬 및 일부 다른 사람. 실험자 자신은 관찰된 현상을 설명할 수 없었습니다. Hahn이 그녀의 어려움을 보고한 물리학자 Lisa Meitner가 관찰된 현상에 대한 정확한 설명을 발견한 것은 이듬해가 되어서야 이루어졌으며, 우라늄이 중성자와 충돌하면 핵이 분열(분열)된다는 것을 암시합니다. 이 경우 더 가벼운 원소의 핵이 형성되어야 하고(여기서 바륨, 크립톤 및 기타 물질이 유래됨) 2-3개의 자유 중성자가 방출되어야 합니다. 추가 연구를 통해 무슨 일이 일어나고 있는지 자세히 설명했습니다. 천연 우라늄은 질량이 238, 234 및 235인 238개의 동위 원소의 혼합물로 구성됩니다. 우라늄의 주요 양은 92개의 동위 원소에 속하며 그 핵에는 146개의 양성자와 235개의 중성자가 포함됩니다. 우라늄-1는 천연 우라늄(140%)의 0/7에 불과하며(핵에 92개의 양성자와 143개의 중성자가 있음), 우라늄-234(92개의 양성자, 142개의 중성자)는 우라늄 총 질량의 1/17500에 불과합니다. (0%). 이러한 동위원소 중 가장 불안정한 것은 우라늄-006입니다. 때때로 원자의 핵은 자발적으로 부분으로 나뉘며 그 결과 주기율표의 더 가벼운 요소가 형성됩니다. 이 과정에는 약 235km / s의 엄청난 속도로 돌진하는 10 ~ XNUMX 개의 자유 중성자가 방출됩니다 (빠른 중성자라고 함). 이 중성자는 다른 우라늄 핵과 충돌하여 핵반응을 일으킬 수 있습니다. 이 경우 각 동위원소는 다르게 행동합니다. 대부분의 경우 우라늄-238 핵은 더 이상의 변환 없이 이러한 중성자를 단순히 포획합니다. 그러나 238개 중 약 238개의 경우 빠른 중성자가 동위 원소 239의 핵과 충돌하면 이상한 핵 반응이 발생합니다. 우라늄 93의 중성자 중 하나가 전자를 방출하여 양성자로 변합니다. 우라늄 동위원소는 더 무거운 원소인 넵투늄-146(양성자 239개 + 중성자 94개)로 바뀝니다. 그러나 해왕성은 불안정합니다. 몇 분 후에 중성자 중 하나가 전자를 방출하여 양성자로 변한 후 해왕성 동위 원소가 주기율표의 다음 원소인 플루토늄-145(양성자 235개 + 중성자 238개)로 바뀝니다. 중성자가 불안정한 우라늄-XNUMX의 핵에 들어가면 즉시 핵분열이 발생합니다. 원자는 XNUMX개 또는 XNUMX개의 중성자를 방출하면서 붕괴됩니다. 대부분의 원자가 XNUMX 동위원소에 속하는 천연 우라늄에서 이 반응은 가시적인 결과를 나타내지 않는다는 것이 분명합니다. 모든 자유 중성자는 결국 이 동위원소에 흡수됩니다. 그러나 완전히 235개의 동위원소로 구성된 상당히 거대한 우라늄 조각을 상상한다면 어떨까요? 여기서 과정은 다르게 진행됩니다. 여러 핵의 분열 중에 방출된 중성자가 차례로 인접한 핵으로 떨어지면서 핵분열을 일으킵니다. 결과적으로 새로운 부분의 중성자가 방출되어 다음 핵이 분할됩니다. 유리한 조건에서 이 반응은 눈사태처럼 진행되며 연쇄 반응이라고 합니다. 약간의 충격 입자로 시작하기에 충분할 수 있습니다. 실제로, 235개의 중성자만 우라늄-100를 공격하도록 하십시오. 그들은 100개의 우라늄 핵을 쪼갤 것입니다. 이 경우 250개의 새로운 2세대 중성자가 방출됩니다(핵분열당 평균 5개). 250세대 중성자는 이미 625개의 핵분열을 생성하고 1562개의 중성자가 방출됩니다. 다음 세대에서는 3906, 9670, XNUMX 등이 될 것입니다. 프로세스가 중지되지 않으면 분할 수는 제한 없이 증가합니다. 그러나 실제로는 중성자의 미미한 부분만이 원자핵에 들어갑니다. 나머지는 그들 사이에서 빠르게 돌진하며 주변 공간으로 옮겨집니다. 자체 유지 연쇄 반응은 임계 질량이 있다고 알려진 충분히 큰 우라늄-235 배열에서만 발생할 수 있습니다. (정상 조건에서 이 질량은 50kg입니다.) 각 핵의 핵분열은 핵분열에 소비된 에너지보다 약 300억 배 더 많은 엄청난 양의 에너지 방출을 동반한다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. ! (우라늄-1 235kg의 총 핵분열은 석탄 3톤을 태우는 것과 같은 열을 방출하는 것으로 계산되었습니다.) 순간에 방출되는 이 엄청난 에너지 급증은 거대한 폭발로 나타납니다. 핵무기 운용의 근간이 되는 힘.. 그러나이 무기가 현실이 되려면 충전이 천연 우라늄이 아니라 희귀 동위 원소 인 235 (이러한 우라늄을 농축이라고 함)로 구성되어야합니다. 나중에 순수한 플루토늄도 핵분열성 물질이며 우라늄-235 대신 원자 전하로 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 이 모든 중요한 발견은 제1941차 세계 대전 직전에 이루어졌습니다. 곧 독일과 다른 나라에서 원자 폭탄 제조에 관한 비밀 작업이 시작되었습니다. 미국에서는 이 문제가 XNUMX년에 제기되었습니다. 전체 작업 단지에 "맨해튼 프로젝트"라는 이름이 주어졌습니다. 프로젝트의 행정적 리더십은 그로브스 장군이, 과학적 지휘는 캘리포니아 대학 로버트 오펜하이머 교수가 맡았다. 둘 다 그들 앞에 놓인 작업의 엄청난 복잡성을 잘 알고 있었습니다. 따라서 Oppenheimer의 첫 번째 관심사는 고도로 지능적인 과학 팀을 확보하는 것이었습니다. 당시 미국에는 파시스트 독일에서 이주한 물리학자들이 많이 있었다. 그들의 옛 고향을 겨냥한 무기 제작에 그들을 참여시키는 것은 쉽지 않았습니다. 오펜하이머는 자신의 매력을 최대한 활용하여 모든 사람에게 개인적으로 말했습니다. 곧 그는 농담으로 "광명"이라고 불렀던 작은 그룹의 이론가들을 모았습니다. 그리고 사실, 그것은 물리학과 화학 분야에서 당시 가장 큰 전문가들을 포함했습니다. (그들 중에는 보어, 페르미, 프랭크, 채드윅, 로렌스 등 13명의 노벨상 수상자들이 있다.) 그 외에도 다양한 프로필을 가진 많은 전문가들이 있었다. 미국 정부는 지출을 아끼지 않았고, 처음부터 그 작업은 거대한 범위를 차지했습니다. 1942년에는 세계 최대의 연구소가 로스 알라모스에 설립되었습니다. 이 과학 도시의 인구는 곧 9명에 이르렀습니다. 과학자의 구성, 과학 실험의 범위, 작업에 참여하는 전문가 및 작업자의 수 면에서 Los Alamos 연구소는 세계 역사에서 비교할 수 없습니다. "맨해튼 프로젝트"에는 자체 경찰, 방첩, 통신 시스템, 창고, 정착촌, 공장, 실험실 및 막대한 예산이 있었습니다. 이 프로젝트의 주요 목표는 몇 개의 원자폭탄을 만들 수 있는 충분한 핵분열성 물질을 얻는 것이었습니다. 이미 언급한 바와 같이 우라늄-235 외에도 인공 원소 플루토늄-239는 폭탄의 충전물로 사용될 수 있습니다. 즉, 폭탄은 우라늄 또는 플루토늄일 수 있습니다. Groves와 Oppenheimer는 작업이 두 방향에서 동시에 수행되어야 한다는 데 동의했습니다. 둘 중 어느 것이 더 유망할 것인지 미리 결정할 수 없기 때문입니다. 두 방법 모두 근본적으로 서로 달랐습니다. 우라늄-235의 축적은 대량의 천연 우라늄에서 분리하여 수행해야 했으며, 플루토늄은 우라늄-238을 중성자. 두 길 모두 비정상적으로 어려워 보였고 쉬운 해결책을 약속하지 않았습니다. 실제로, 무게가 약간만 다르고 화학적으로 정확히 같은 방식으로 작용하는 두 동위원소가 어떻게 서로 분리될 수 있습니까? 과학도 기술도 그런 문제에 직면한 적이 없습니다. 플루토늄 생산도 처음에는 매우 문제가 있어 보였습니다. 이전에는 핵 변환의 전체 경험이 여러 실험실 실험으로 축소되었습니다. 이제 산업 규모의 플루토늄 킬로그램 생산을 마스터하고 이를 위한 특수 설비인 원자로를 개발 및 생성하고 핵 반응 과정을 제어하는 방법을 배워야 했습니다. 그리고 여기저기서 복잡한 문제를 해결해야 했습니다. 따라서 "맨해튼 프로젝트"는 저명한 과학자들이 이끄는 여러 하위 프로젝트로 구성되었습니다. 오펜하이머 자신은 로스 알라모스 과학 연구소의 소장이었습니다. Lawrence는 캘리포니아 대학의 방사선 연구소를 책임지고 있었습니다. 페르미는 시카고 대학에서 원자로 제작에 관한 연구를 주도했습니다. 초기에 가장 중요한 문제는 우라늄 확보였습니다. 전쟁 이전에 이 금속은 실제로 아무 소용이 없었습니다. 대량으로 즉시 필요했기 때문에 그것을 생산할 산업적 방법이 없다는 것이 밝혀졌습니다. Westinghouse 회사는 개발에 착수하여 빠르게 성공을 거두었습니다. 우라늄 수지(이러한 형태의 우라늄은 자연에서 발생)를 정제하여 산화우라늄을 얻은 후 사불화물(UF4)로 전환하여 전기분해에 의해 금속성 우라늄을 분리하였다. 1941년 말에 미국 과학자들이 처리할 수 있는 금속성 우라늄이 몇 그램에 불과했다면 1942년 6000월 웨스팅하우스 공장의 산업 생산량은 월 XNUMX파운드에 달했습니다. 동시에 원자로 건설에 대한 작업이 진행 중이었습니다. 플루토늄 생산 과정은 실제로 우라늄 막대에 중성자를 조사하는 것으로 요약되었으며, 그 결과 우라늄-238의 일부가 플루토늄으로 변해야 했습니다. 이 경우 중성자의 소스는 우라늄-235 원자 사이에 충분한 양으로 흩어져 있는 핵분열성 우라늄-238 원자일 수 있습니다. 그러나 중성자의 일정한 재생산을 유지하기 위해서는 우라늄-235 원자의 연쇄 핵분열 반응이 시작되어야 했습니다. 한편, 이미 언급했듯이 우라늄-235의 모든 원자에는 140개의 우라늄-238 원자가 있습니다. 모든 방향으로 날아가는 중성자는 도중에 정확히 만날 가능성이 훨씬 더 높음이 분명합니다. 즉, 방출된 수많은 중성자가 주요 동위원소에 흡수되어 아무 소용이 없는 것으로 판명되었습니다. 분명히 그러한 조건에서는 연쇄 반응이 진행될 수 없습니다. 어떻게 될 것인가? 처음에는 두 동위 원소의 분리 없이는 원자로의 작동이 일반적으로 불가능한 것처럼 보였지만 한 가지 중요한 상황이 곧 확립되었습니다. 우라늄-235와 우라늄-238은 다른 에너지의 중성자에 취약하다는 것이 밝혀졌습니다. 약 235m/s의 속도를 갖는 상대적으로 낮은 에너지의 중성자로 우라늄-22 원자의 핵을 쪼갤 수 있다. 이러한 느린 중성자는 우라늄-238 핵에 포착되지 않습니다. 이를 위해 초당 수십만 미터의 속도를 가져야 합니다. 다시 말해, 우라늄-238은 235m/s 이하의 매우 낮은 속도로 감속된 중성자에 의해 야기되는 우라늄-22의 연쇄 반응의 시작과 진행을 막을 수 없습니다. 이 현상은 1938년부터 미국에 거주하면서 이곳에서 최초의 원자로를 만드는 작업을 감독한 이탈리아 물리학자 페르미에 의해 발견되었습니다. Fermi는 흑연을 중성자 감속재로 사용하기로 결정했습니다. 그의 계산에 따르면 우라늄-235에서 방출된 중성자는 40cm 두께의 흑연 층을 통과하여 속도를 22m/s로 줄이고 우라늄-235에서 자체 지속 연쇄 반응을 시작했어야 합니다. 소위 "무거운" 물이 또 다른 조절자 역할을 할 수 있습니다. 그것을 구성하는 수소 원자는 크기와 질량이 중성자와 매우 가깝기 때문에 중성자 속도를 줄이는 것이 가장 좋습니다. (공과 마찬가지로 빠른 중성자에서도 거의 같은 일이 발생합니다. 작은 공이 큰 공을 치면 거의 속도를 잃지 않고 뒤로 굴러갑니다. 그러나 작은 공을 만나면 에너지의 상당 부분을 공으로 전달합니다. 마치 탄성 충돌에서 중성자가 무거운 핵에서 튕겨져 나가는 속도가 약간만 느려지고 수소 원자의 핵과 충돌하면 모든 에너지를 매우 빠르게 잃는 것과 같습니다. 그러나 일반 물은 속도를 줄이는 데 적합하지 않습니다. 중성자를 흡수합니다. 이것이 "중수"의 일부인 중수소를 이러한 목적으로 사용해야 하는 이유입니다. 1942년 초, Fermi의 지도 하에 시카고 스타디움 서쪽 스탠드 아래 테니스 코트에서 최초의 원자로 건설이 시작되었습니다. 모든 작업은 과학자들이 직접 수행했습니다. 반응은 연쇄 반응에 관련된 중성자의 수를 조정하는 유일한 방법으로 제어할 수 있습니다. Fermi는 중성자를 강하게 흡수하는 붕소 및 카드뮴과 같은 재료로 만든 막대로 이를 수행하는 것을 구상했습니다. 흑연 벽돌은 물리학자들이 높이 3m, 폭 1m의 기둥을 세우고 그 사이에 우라늄 산화물이 있는 직사각형 블록을 설치하는 감속재 역할을 했습니다. 약 2톤의 산화우라늄과 46톤의 흑연이 전체 구조물에 투입되었습니다. 반응을 늦추기 위해 반응기에 도입된 카드뮴 및 붕소 막대가 제공되었습니다. 이것이 충분하지 않다면 보험을 위해 원자로 위에 위치한 플랫폼에 두 명의 과학자가 카드뮴 염 용액으로 채워진 양동이를 가지고 있었습니다. 다행히도 이것은 필요하지 않았습니다. 2년 1942월 28일, 페르미는 모든 제어봉을 확장하도록 명령하고 실험을 시작했습니다. XNUMX분 후, 중성자 계수기가 점점 더 크게 딸깍 소리를 내기 시작했습니다. 매분마다 중성자 플럭스의 강도는 더 커졌습니다. 이것은 반응기에서 연쇄 반응이 일어나고 있음을 나타냅니다. XNUMX분간 진행되었습니다. 그런 다음 Fermi가 신호를 보내고 낮아진 막대가 프로세스를 중지했습니다. 따라서 인간은 처음으로 원자핵의 에너지를 방출하고 마음대로 제어할 수 있음을 증명했습니다. 이제 더 이상 핵무기가 현실이라는 데 의심의 여지가 없었습니다. 1943년에 페르미 원자로는 해체되어 아라곤 국립 연구소(시카고에서 50km)로 옮겨졌습니다. 중수가 감속재로 사용되는 또 다른 원자로가 곧 여기에 건설되었습니다. 그것은 6톤의 중수를 담고 있는 원통형 알루미늄 탱크로 구성되어 있으며, 5개의 금속 우라늄 막대가 알루미늄 쉘로 둘러싸인 수직으로 적재되어 있습니다. 120개의 제어봉은 카드뮴으로 만들어졌습니다. 탱크 주변에는 흑연 반사경이 있었고 납과 카드뮴 합금으로 만든 스크린이 있었습니다. 전체 구조는 약 2m의 벽 두께를 가진 콘크리트 쉘로 둘러싸여 있으며 이러한 실험용 원자로에 대한 실험은 플루토늄의 산업적 생산 가능성을 확인했습니다. "맨해튼 프로젝트"의 주요 중심지는 곧 테네시 강 계곡의 오크 릿지(Oak Ridge) 타운이 되었으며, 몇 달 만에 인구가 79명으로 늘어났습니다. 여기에 짧은 시간에 농축 우라늄 생산을 위한 첫 번째 공장이 건설되었습니다. 1943년 즉시 플루토늄을 생산하는 산업용 원자로가 가동되었습니다. 1944년 300월, 매일 약 XNUMXkg의 우라늄이 추출되었으며, 그 표면에서 화학적 분리에 의해 플루토늄이 얻어졌습니다. (이를 위해 플루토늄을 먼저 용해시킨 후 침전시켰다.) 정제된 우라늄을 다시 반응기로 되돌려 보냈다. 같은 해 컬럼비아 강 남쪽 기슭의 황량하고 황량한 사막에서 거대한 Hanford 공장 건설이 시작되었습니다. XNUMX개의 강력한 원자로가 이곳에 위치하여 매일 수백 그램의 플루토늄을 공급했습니다. 이와 동시에 우라늄 농축을 위한 산업적 공정을 개발하기 위한 연구가 한창 진행 중이었습니다. 다양한 옵션을 고려한 후 Groves와 Oppenheimer는 가스 확산과 전자기의 두 가지 방법에 집중하기로 결정했습니다. 기체확산법은 그레이엄의 법칙(1829년 스코틀랜드 화학자 토머스 그레이엄이 처음 공식화하고 1896년 영국 물리학자 라일리 개발)이라는 원리에 기반을 두고 있습니다. 이 법칙에 따라 두 가스 중 하나가 다른 것보다 가벼운 두 개의 가스가 무시할 수 있는 구멍이 있는 필터를 통과하면 무거운 가스보다 약간 더 가벼운 가스가 통과합니다. 1942년 6월 컬럼비아 대학의 Urey와 Dunning은 Reilly 방법을 기반으로 우라늄 동위원소를 분리하기 위한 기체 확산 방법을 만들었습니다. 천연 우라늄은 고체이기 때문에 처음에는 불화우라늄(UF235)으로 전환되었습니다. 그런 다음 이 가스는 필터 격막에 있는 미세한 구멍(1,0002/235 밀리미터 정도)을 통과했습니다. 가스의 몰 중량 차이가 매우 작았기 때문에 배플 뒤에서 우라늄-1의 함량은 0002배만 증가했습니다. 우라늄-235의 양을 더욱 증가시키기 위해 생성된 혼합물을 다시 칸막이를 통과하고, 다시 우라늄의 양을 99배 증가시킨다. 따라서 우라늄-4000의 함량을 XNUMX%까지 높이려면 XNUMX개의 필터를 통해 가스를 통과시켜야 했습니다. 이것은 Oak Ridge에 있는 거대한 기체 확산 공장에서 발생했습니다. 1940년 캘리포니아 대학의 Ernst Lawrence의 지도 하에 전자기법에 의한 우라늄 동위원소 분리에 대한 연구가 시작되었습니다. 질량의 차이를 이용하여 동위원소를 분리할 수 있는 물리적 과정을 찾는 것이 필요했습니다. 로렌스는 원자의 질량을 결정하는 도구인 질량 분광기의 원리를 사용하여 동위 원소를 분리하려고 시도했습니다. 작동 원리는 다음과 같습니다. 사전 이온화 된 원자는 전기장에 의해 가속 된 다음 자기장 방향에 수직 인 평면에 위치한 원을 묘사하는 자기장을 통과했습니다. 이 궤적의 반지름은 질량에 비례하기 때문에 가벼운 이온은 무거운 것보다 반지름이 작은 원에 위치하게 됩니다. 트랩이 원자의 경로에 배치되면 이러한 방식으로 서로 다른 동위원소를 별도로 수집할 수 있습니다.
그것이 방법이었습니다. 실험실 조건에서 그는 좋은 결과를 보였습니다. 그러나 동위원소 분리가 산업적 규모로 수행될 수 있는 공장의 건설은 매우 어려운 것으로 판명되었습니다. 그러나 Lawrence는 결국 모든 어려움을 극복했습니다. 그의 노력의 결과는 오크리지의 거대한 공장에 설치된 칼루트론의 등장이었다.
이 전자기 공장은 1943년에 지어졌으며 아마도 맨해튼 프로젝트의 가장 비싼 아이디어로 밝혀졌습니다. 로렌스의 방법은 고전압, 고진공 및 강한 자기장을 포함하는 아직 개발되지 않은 많은 복잡한 장치를 필요로 했습니다. 비용은 엄청났습니다. Calutron에는 길이가 75m에 달하고 무게가 약 4000톤에 달하는 거대한 전자석이 있었습니다. 수천 톤의 은선이 이 전자석의 권선에 들어갔습니다. 전체 작업(국무부가 일시적으로만 제공한 300억 달러 상당의 은 비용 제외)에는 400억 달러가 들었습니다. 칼루트론이 소비한 전력에 대해서만 국방부는 10만 원을 지불했다. Oak Ridge 공장의 장비 대부분은 현장에서 개발된 어떤 장비보다 규모와 정밀도 면에서 월등했습니다. 그러나 이 모든 비용이 헛되지 않았습니다. 총 약 2억 달러를 지출한 미국 과학자들은 1944년까지 우라늄 농축 및 플루토늄 생산을 위한 독특한 기술을 개발했습니다. 한편 로스 알라모스 연구소에서는 폭탄 자체의 디자인을 연구하고 있었습니다. 작동 원리는 오랫동안 일반적으로 명확했습니다. 핵분열성 물질(플루토늄 또는 우라늄-235)은 폭발 당시 임계 상태로 전환되어야 했습니다(연쇄 반응이 일어나려면 전하는 임계값보다 훨씬 더 커야 하며 중성자 빔을 조사해야 합니다. 이에 따라 연쇄 반응이 시작됩니다. 계산에 따르면 전하의 임계 질량은 50kg을 초과했지만 크게 줄일 수 있었습니다. 일반적으로 임계 질량의 크기는 여러 요인에 의해 크게 영향을 받습니다. 전하의 표면적이 클수록 더 많은 중성자가 주변 공간으로 쓸모없이 방출됩니다. 구는 가장 작은 표면적을 가지고 있습니다. 결과적으로 구형 전하는 다른 조건이 같을 때 임계 질량이 가장 작습니다. 또한 임계 질량 값은 핵분열성 물질의 순도와 유형에 따라 다릅니다. 이것은 이 물질의 밀도의 제곱에 반비례하며, 예를 들어 밀도를 두 배로 하여 임계 질량을 XNUMX배로 줄일 수 있습니다. 필요한 정도의 미임계는 예를 들어 핵 충전물을 둘러싸는 구형 껍질 형태로 만들어진 기존의 폭발성 장약의 폭발로 인해 핵분열성 물질을 압축함으로써 얻을 수 있습니다. 중성자를 잘 반사하는 스크린으로 전하를 둘러싸서 임계 질량을 줄일 수도 있습니다. 납, 베릴륨, 텅스텐, 천연 우라늄, 철 등이 이러한 스크린으로 사용될 수 있습니다.
원자 폭탄의 가능한 설계 중 하나는 두 조각의 우라늄으로 구성되어 있으며, 결합하면 임계 질량보다 큰 질량을 형성합니다. 폭탄 폭발을 일으키려면 가능한 한 빨리 그것들을 모아야 합니다. 두 번째 방법은 내부 수렴 폭발의 사용을 기반으로 합니다. 이 경우 재래식 폭발물의 가스 흐름은 내부에 있는 핵분열성 물질로 향하고 임계 질량에 도달할 때까지 압축합니다. 이미 언급했듯이 전하의 연결과 중성자와의 강렬한 조사는 연쇄 반응을 일으켜 첫 번째 초에 온도가 1 만도까지 상승합니다. 이 시간 동안 임계 질량의 약 5%만 분리되었습니다. 초기 설계의 폭탄에 있는 나머지 충전물은 소용이 없었습니다. 역사상 최초의 원자폭탄(트리니티)은 1945년 여름에 조립되었습니다. 그리고 16년 1945월 30일 뉴멕시코주 앨라모고도 사막의 핵실험장에서 지구 최초의 원자폭탄이 터졌다. 폭탄은 9m 높이의 철탑 위 시험장 중앙에 설치됐다. 녹음 장비는 그 주위에 아주 멀리 배치되었습니다. 16km에는 관측소가 있었고 XNUMXkm에는 지휘소가있었습니다. 원자 폭발은 이 사건의 모든 목격자들에게 엄청난 인상을 남겼습니다.
목격자의 설명에 따르면 많은 태양이 하나로 합쳐져 다각형을 한 번에 비추는 느낌이있었습니다. 그때 평원 위에 거대한 불덩어리가 나타났고, 먼지와 빛의 둥근 구름이 천천히 그리고 불길하게 그것을 향해 상승하기 시작했습니다. 이 불덩어리는 지상에서 이륙한 후 몇 초 만에 1km가 넘는 높이까지 날아갔다. 매 순간 크기가 커지면서 지름이 5km에 이르렀고 천천히 성층권으로 올라갔습니다. 그런 다음 불덩이는 소용돌이 치는 연기 기둥으로 바뀌었고 거대한 버섯의 형태를 취하면서 높이 12km까지 뻗어있었습니다. 이 모든 것은 땅이 떨리는 끔찍한 포효를 동반했습니다. 폭발한 폭탄의 위력은 모든 기대를 뛰어넘었다. 방사능 상황이 허용되자 마자 내부에서 납판이 늘어선 여러 대의 셔먼 탱크가 폭발 지역으로 돌진했습니다. 그들 중 한 사람은 자신의 작업 결과를 보고 싶어 했던 페르미였습니다. 그의 눈앞에 죽은 황토가 나타나 반경 1km 이내의 모든 생명체가 파괴되었습니다. 모래는 땅을 덮고 있는 유리 같은 녹색 껍질로 소결되었습니다. 거대한 분화구에는 절단된 강철 지지탑의 잔해가 놓여 있습니다. 폭발의 위력은 TNT 5톤으로 추정된다. 다음 단계는 일본에 대한 폭탄의 전투 사용이었습니다. 일본은 파시스트 독일이 항복한 후 홀로 미국 및 동맹국과의 전쟁을 계속했습니다. 당시에는 발사체가 없었기 때문에 폭격은 항공기에서 수행되어야 했습니다. 두 폭탄의 구성 요소는 USS 인디애나폴리스에 의해 미 공군 509 복합 그룹이 기반을 둔 티니안 섬으로 세심한 주의를 기울여 운송되었습니다. 충전 유형과 디자인에 따라이 폭탄은 서로 약간 다릅니다. 첫 번째 폭탄인 "키드"는 고농축 우라늄-235를 원자로 충전한 대형 공중 폭탄이었습니다. 길이는 약 3m, 직경은 62cm, 무게는 4톤이었고 플루토늄-1가 장전된 두 번째 폭탄 "팻 맨"은 대형 안정 장치가 있는 달걀 모양이었습니다. 길이는 239m, 지름은 3m, 무게는 2톤이었습니다. 6월 29일 Tibbets 대령의 Enola Gay B-600 폭격기가 일본의 대도시 히로시마에 "Kid"를 투하했습니다. 폭탄은 낙하산으로 투하되었고 계획대로 지상에서 XNUMXm 고도에서 폭발했습니다. 폭발의 결과는 끔찍했습니다. 조종사들에게도 한순간에 무너지는 평화로운 도시의 모습은 안타까움을 자아낸다. 나중에 그들 중 한 명은 그 순간 사람이 볼 수 있는 최악의 것을 보았다고 인정했습니다. 지상에 있는 사람들에게는 일어나고 있는 일이 진짜 지옥 같았습니다. 우선 히로시마에 폭염이 지나갔다. 그 작용은 잠시뿐이었지만 화강암 판의 타일과 석영까지 녹이고, 4km 거리의 전신주를 석탄으로 만들고, 마침내 그림자만 남은 인체를 소각할 정도로 강력했다. 포장도로 아스팔트 또는 집의 벽에. 그런 다음 거대한 돌풍이 불덩어리 아래에서 빠져 나와 800km / h의 속도로 도시를 돌진하여 경로의 모든 것을 쓸어 버렸습니다. 그의 맹렬한 공격을 견디지 못한 집들은 베어진 듯 무너져 내렸다. 지름 4km의 거대한 원 안에는 건물 하나가 그대로 남아 있지 않았습니다. 폭발 몇 분 후 검은 방사성 비가 도시에 떨어졌습니다. 이 수분은 대기의 높은 층에서 응축된 증기로 바뀌었고 방사성 먼지가 섞인 큰 방울의 형태로 땅에 떨어졌습니다. 비가 내린 후 새로운 돌풍이 도시를 강타했으며 이번에는 진앙 방향으로 불었습니다. 그는 처음보다 약했지만 여전히 나무를 뽑을 만큼 강했습니다. 바람은 불길에 휩싸여 모든 것을 태울 수 있는 거대한 불을 부채질했습니다. 76채의 건물 중 55채가 완전히 파괴되어 전소되었습니다. 이 끔찍한 재앙을 목격한 사람들은 횃불에서 탄 옷이 너덜너덜한 피부와 함께 땅에 떨어졌고, 정신을 잃은 사람들이 끔찍한 화상으로 뒤덮인 군중이 거리를 비명을 지르며 돌진했다고 회상했습니다. 공기 중에 사람의 살을 태우는 숨막히는 냄새가 났다. 사람들은 도처에 누워 죽어가고 있었습니다. 맹인과 귀머거리가 많았고 사방을 찔러 주위를 지배하는 혼돈 속에서 아무 것도 알아낼 수 없었습니다. 진앙지에서 최대 800m 떨어진 불행한 사람들은 문자 그대로의 의미에서 순식간에 타버렸습니다. 내부가 증발하고 몸이 연기가 나는 석탄 덩어리로 변했습니다. 진원지에서 1km 떨어진 곳에 위치한 그들은 극도로 심각한 형태의 방사선 병에 걸렸다. 몇 시간 안에 그들은 심하게 구토하기 시작했고 온도가 39-40도까지 뛰었고 호흡 곤란과 출혈이 나타났습니다. 그러자 피부에 치유되지 않는 궤양이 생기고 혈액의 구성이 급격히 변하고 머리카락이 빠졌습니다. 끔찍한 고통을 겪은 후 보통 둘째나 셋째 날에 사망했습니다. 전체적으로 약 240명이 폭발과 방사선 질병으로 사망했습니다. 약 160명이 더 가벼운 형태의 방사선 질병을 받았습니다. 그들의 고통스러운 죽음은 몇 달 또는 몇 년 동안 지연되었습니다. 대참사 소식이 전국에 퍼지자 일본 전역이 공포에 휩싸였다. 9월 XNUMX일, 스위니 소령의 박스카 항공기가 나가사키에 두 번째 폭탄을 투하한 후 더욱 증가했습니다. 수십만 명의 주민도 이곳에서 죽고 부상당했습니다. 새로운 무기에 저항할 수 없었던 일본 정부는 항복했습니다. 원자폭탄은 제XNUMX차 세계 대전을 종식시켰습니다. 전쟁은 끝났다. 그것은 겨우 1939년 동안 지속되었지만 거의 인식할 수 없을 정도로 세상과 사람들을 변화시켰습니다. 1945년 이전의 인류문명과 6년 이후의 인류문명은 현저하게 다르다. 여기에는 여러 가지 이유가 있지만 가장 중요한 것 중 하나는 핵무기의 출현입니다. 1945세기 후반에 걸쳐 히로시마의 그림자가 드리워져 있다고 해도 과언이 아닙니다. 그것은 이 재앙의 동시대인과 그로부터 수십 년 후에 태어난 사람들을 포함하여 수백만 명의 사람들에게 깊은 도덕적 화상이 되었습니다. 현대인은 XNUMX년 XNUMX월 XNUMX일 이전에 생각했던 방식으로 세상을 더 이상 생각할 수 없습니다. 그는 이 세상이 몇 분 안에 아무것도 되지 않을 수 있다는 것을 너무 분명히 이해하고 있습니다. 현대인은 할아버지와 증조부가 지켜본 것처럼 전쟁을 볼 수 없습니다. 그는이 전쟁이 마지막이 될 것이며 승자도 패자도 없을 것임을 확실히 알고 있습니다. 핵무기는 공공 생활의 모든 영역에 흔적을 남겼고 현대 문명은 XNUMX~XNUMX년 전과 같은 법칙으로 살 수 없습니다. 원자 폭탄의 제작자 자신보다 이것을 더 잘 이해한 사람은 없습니다. 로버트 오펜하이머(Robert Oppenheimer)는 "우리 행성의 사람들은 단결해야 합니다. 지난 전쟁이 뿌린 공포와 파괴가 우리에게 이 생각을 지시합니다. 원자 폭탄의 폭발은 그것을 모든 잔혹함으로 증명했습니다. 다른 시대에 다른 사람들도 비슷한 말을 했습니다. 말 - 다른 무기와 다른 전쟁에 대해서만. 그들은 성공하지 못했습니다. 그러나 오늘날 이 말들이 무의미하다고 말하는 사람은 역사의 변천사에 속아 넘어가는 것입니다. 우리는 이것을 확신할 수 없습니다. 우리 작업의 결과는 인류에게 선택의 여지가 없습니다. 법과 인본주의에 입각한 세상" 저자: Ryzhov K.V.
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