В начале 1942 года под руководством Ферми в помещении теннисного корта под западными трибунами Чикагского стадиона началось строительство первого в истории ядерного реактора. Все работы ученые проводили сами. Управление реакцией можно осуществлять единственным способом — регулируя число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Ферми предполагал добиться этого с помощью стержней, изготовленных из таких веществ, как бор и кадмий, которые сильно поглощают нейтроны. Замедлителем служили графитовые кирпичи, из которых физики возвели колоны высотой в 3 м и шириной в 1, 2 м. Между ними были установлены прямоугольные блоки с окисью урана. На всю конструкцию пошло около 46 тонн окиси урана и 385 тонн графита. Для замедления реакции служили введенные в реактор стержни из кадмия и бора. Если бы этого оказалось недостаточно, то для страховки на платформе, расположенной над реактором, стояли двое ученых с ведрами, наполненными раствором солей кадмия — они должны были вылить их на реактор, если бы реакция вышла из-под контроля. К счастью, этого не потребовалось. 2 декабря 1942 года Ферми приказал выдвинуть все контрольные стержни, и эксперимент начался. Через четыре минуты нейтронные счетчики стали щелкать все громче и громче. С каждой минутой интенсивность нейтронного потока становилась больше. Это говорило о том, что в реакторе идет цепная реакция. Она продолжалась в течение 28 минут. Затем Ферми дал знак, и опущенные стержни прекратили процесс. Так впервые человек освободил энергию атомного ядра и доказал, что может контролировать ее по своей воле. Теперь уже не было сомнения, что ядерное оружие — реальность.
В 1943 году реактор Ферми демонтировали и перевезли в Арагонскую национальную лабораторию (50 км от Чикаго). Здесь был вскоре построен еще один ядерный реактор, в котором в качестве замедлителя использовалась тяжелая вода. Он состоял из цилиндрической алюминиевой цистерны, содержащей 6, 5 тонн тяжелой воды, в которую было вертикально погружено 120 стержней из металлического урана, заключенные в алюминиевую оболочку. Семь управляющих стержней были сделаны из кадмия. Вокруг цистерны располагался графитовый отражатель, затем экран из сплавов свинца и кадмия. Вся конструкция заключалась в бетонный панцирь с толщиной стенок около 2, 5 м. Эксперименты на этих опытных реакторах подтвердили возможность промышленного производства плутония.
Главным центром «Манхэттенского проекта» вскоре стал городок Ок-Ридж в долине реки Теннеси, население которого за несколько месяцев выросло до 79 тысяч человек. Здесь в короткий срок был построен первый в истории завод по производству обогащенного урана. Тут же в 1943 году был пущен промышленный реактор, вырабатывавший плутоний. В феврале 1944 года из него ежедневно извлекали около 300 кг урана, с поверхности которого путем химического разделения получали плутоний. (Для этого плутоний сначала растворяли, а потом осаждали.) Очищенный уран после этого вновь возвращался в реактор. В том же году в бесплодной унылой пустыне на южном берегу реки Колумбия началось строительство огромного Хэнфордского завода. Здесь размещалось три мощных атомных реактора, ежедневно дававших несколько сот граммов плутония.
Параллельно полным ходом шли исследования по разработке промышленного процесса обогащения урана. Рассмотрев разные варианты, Гровс и Оппенгеймер решили сосредоточить усилия на двух методах: газодиффузионном и электромагнитном. Газодиффузионный метод основывался на принципе, известном под названием закона Грэхэма (он был впервые сформулирован в 1829 году шотландским химиком Томасом Грэхэмом и разработан в 1896 году английским физиком Рейли). В соответствии с этим законом, если два газа, один из которых легче другого, пропускать через фильтр с ничтожно малыми отверстиями, то через него пройдет несколько больше легкого газа, чем тяжелого. В ноябре 1942 года Юри и Даннинг из Колумбийского университета создали на основе метода Рейли газодиффузионный метод разделения изотопов урана. Так как природный уран — твердое вещество, то его сначала превращали во фтористый уран (UF6). Затем этот газ пропускали через микроскопические — порядка тысячных долей миллиметра — отверстия в перегородке фильтра. Так как разница в молярных весах газов была очень мала, то за перегородкой содержание урана-235 увеличивалось всего в 1, 0002 раза. Для того чтобы увеличить количество урана-235 еще больше, полученную смесь снова пропускают через перегородку, и количество урана опять увеличивается в 1, 0002 раза. Таким образом, чтобы повысить содержание урана-235 до 99%, нужно было пропускать газ через 4000 фильтров. Это происходило на огромном газодиффузионном заводе в Ок-Ридж.
В 1940 году под руководством Эрнста Лоуренса в Калифорнийском университете начались исследования по разделению изотопов урана электромагнитным методом. Необходимо было найти такие физические процессы, которые позволили бы разделять изотопы, пользуясь разностью их масс. Лоуренс предпринял попытку разделить изотопы, используя принцип масс-спектрографа — прибора, с помощью которого определяют массы атомов. Принцип его действия сводился к следующему: предварительно ионизированные атомы ускорялись электрическим полем, а затем пропускались через магнитное поле, в котором они описывали окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной направлению поля. Так как радиусы этих траекторий были пропорциональны массе, легкие ионы оказывались на окружностях меньшего радиуса, чем тяжелые. Если на пути атомов размещали ловушки, то можно было таким образом раздельно собирать различные изотопы.
Таков был метод. В лабораторных условиях он дал неплохие результаты. Но строительство установки, на которой разделение изотопов могло бы производиться в промышленных масштабах, оказалось чрезвычайно сложным. Однако Лоуренсу в конце концов удалось преодолеть все трудности. Результатом его усилий стало появление калутрона, который был установлен на гигантском заводе в Ок-Ридже.
Этот электромагнитный завод был построен в 1943 году и оказался едва ли не самым дорогостоящим детищем «Манхэттенского проекта». Метод Лоуренса требовал большого количества сложных, еще не разработанных устройств, связанных с высоким напряжением, высоким вакуумом и сильными магнитными полями. Масштабы затрат оказались огромны. Калутрон имел гигантский электромагнит, длина которого достигала 75 м при весе около 4000 тонн. На обмотки для этого электромагнита пошло несколько тысяч тонн серебряной проволоки.
Все работы (не считая стоимости серебра на сумму 300 миллионов долларов, которое государственное казначейство предоставило только на время) обошлись в 400 миллионов долларов. Только за электроэнергию, затраченную калутроном, министерство обороны заплатило 10 миллионов. Большая часть оборудования ок-риджского завода превосходила по масштабам и точности изготовления все, что когда-либо разрабатывалось в этой области техники.
Но все эти затраты оказались не напрасными. Издержав в общей сложности около 2 миллиардов долларов, ученые США к 1944 году создали уникальную технологию обогащения урана и производства плутония. Тем временем в Лос-Аламосской лаборатории работали над проектом самой бомбы. Принцип ее действия был в общих чертах ясен уже давно: делящееся вещество (плутоний или уран-235) следовало в момент взрыва перевести в критическое состояние (для осуществления цепной реакции масса заряда должна быть даже заметно больше критической) и облучить пучком нейтронов, что влекло за собой начало цепной реакции. По расчетам, критическая масса заряда превосходила 50 килограмм, но ее смогли значительно уменьшить. Вообще на величину критической массы сильно влияют несколько факторов. Чем больше поверхностная площадь заряда — тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающее пространство. Наименьшей площадью поверхности обладает сфера. Следовательно, сферические заряды при прочих равных условиях имеют наименьшую критическую массу. Кроме того, величина критической массы зависит от чистоты и вида делящихся материалов. Она обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить, к примеру, уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Критическую массу, кроме того, можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана могут быть использованы свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и многие другие.
