разделения изотопов был расширением и усовершенствованием масс-спектрометрии, которую изобрел в 1918 году Фрэнсис Астон. Как объясняется в докладе, подготовленном в 1945 году сотрудниками Лоуренса, метод «основан на том факте, что электрически заряженный атом, пролетающий через магнитное поле, движется по окружности, радиус которой определяется его массой»[2108] – на этом же принципе был основан и циклотрон Лоуренса. Чем легче атом, тем меньше окружность, которую он описывает. Если взять ионы какого-либо соединения урана в газообразной фазе и привести их в движение в одном конце вакуумной камеры, помещенной в сильное магнитное поле, то эти ионы, двигаясь по криволинейным траекториям, разделяются на два пучка. Более легкие атомы 235U летят по более узкой дуге, чем более тяжелые атомы 238U; на полутораметровой дуге величина расхождения пучков может составлять около семи с половиной миллиметров. Если поставить накопитель в точку попадания пучка ионов 235U, в нем можно будет собрать эти ионы. «Когда ионы соударяются с дном накопителя… они теряют свой заряд и остаются там в виде металлических хлопьев»[2109][2110]. Схема такой установки со щелями в ускоряющих ионы электродах может выглядеть так, как показано ниже.

В конце 1941 года Лоуренс установил 180-градусный масс-спектрометр на месте дуантов метрового циклотрона в Беркли. За месяц непрерывной работы установки его группа получила 100 микрограммов частично очищенного 235U[2111]. Это было в несколько сотен миллионов раз меньше, чем 100 килограммов, которые Роберт Оппенгеймер первоначально считал необходимыми для изготовления бомбы. Эта демонстрация доказала правильность основополагающего принципа электромагнитного разделения и в то же время ярко проиллюстрировала гигантскую неэкономичность этого метода: Лоуренс собирался разделять уран, перебирая каждый атом.

Очевидными средствами повышения пропускной способности и производительности метода были укрупнение оборудования, повышение ускоряющего напряжения и увеличение числа источников и накопителей, устанавливаемых друг рядом с другом между полюсами одного и того же магнита. Раньше Лоуренс пожертвовал ради победы в войне своим временем; теперь он пожертвовал своим великолепным, новым 4,5-метровым циклотроном. Вместо дуантов циклотрона он установил между полюсами 4500-тонного магнита D-образные камеры масс-спектрометра. В течение весны и лета 1942 года новую установку привели в рабочее состояние, что было связано с решением чрезвычайно сложных инженерных задач. В процессе наладки у нее появилось собственное имя: калютрон, еще один «-трон», родившийся в Калифорнийском университете.

По оценке Лоуренса, сделанной осенью 1942 года, для выделения 100 граммов 235U в сутки требовалось около 2000 полутораметровых калютронных камер, установленных в магнитах, весящих многие тысячи тонн. Если для бомбы достаточной эффективности нужно было иметь 30 килограммов 235U, как только что рассчитали участники летних исследований в Беркли, то 2000 таких калютронов могли обогащать достаточное для одной бомбы количество активного материала за 300 суток. Все это в предположении, что система будет работать без сбоев, чего пока что нельзя было сказать о ее лабораторных прототипах. Однако в 1942 году электромагнитное разделение изотопов все еще казалось Джеймсу Брайанту Конанту настолько более перспективным, чем применение плутония или барьерная газовая диффузия, что он предложил обсудить возможность дальнейшего развития только этого метода. Лоуренс был уверен в своих силах, но не до безрассудства; он настоял на том, чтобы две темные лошадки продолжали участвовать в соревновании вместе с фаворитом.

Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости чертежа

Гровс был не так впечатлен этими результатами. Того же мнения придерживалась и первая комиссия Льюиса, посетившая Чикаго и Беркли зимой 1942 года, когда Ферми собирал реактор СР-1. Комиссия Льюиса сочла самым лучшим методом газовую диффузию, потому что она была ближе всего к известным технологиям – явление диффузии было хорошо знакомо инженерам-нефтяникам, а установка газовой диффузии должна была, по сути дела, представлять собой огромную систему связанных между собою труб и насосов. Электромагнитное же разделение было пакетным технологическим процессом, еще не опробованным в таком гигантском масштабе; в Беркли планировали собрать систему из полутораметровых камер, установленных вертикально между полюсами больших квадратных электромагнитов, по две камеры на зазор и по 96 камер на установку. Чтобы уменьшить количество железа, необходимого для сердечников магнитов, эту конструкцию делали не прямоугольной, а овальной, наподобие дорожки ипподрома:

Дорожкой ее и называли, хотя официально эта установка называлась «Альфа». В Беркли могли пообещать производство всего лишь 5 граммов обогащенного урана в сутки на каждой из установок, но Гровс считал, что сооружение 2000 камер выходит далеко за пределы возможностей Stone & Webster. Он уменьшил их число до 500, рассуждая, как вспоминал потом Лоуренс, «что техника и наука этого процесса будут развиваться, и к тому времени, когда завод будет построен, будет обеспечена гораздо более высокая производительность»[2112]. Производство пяти граммов в сутки на каждой из пяти установок соответствовало производству 30-килограммовой бомбы за 1200 суток, и это при условии, что калютроны «Альфа» производили бы почти чистый 235U, в то время как на самом деле они не могли добиться уровня его содержания свыше приблизительно 15 %. Гровс рассчитывал на будущие усовершенствования и готовился к ним.

Он вынужден был начинать строительство, еще не зная, что именно нужно будет построить. Он шел от общего к частному, от контуров к деталям. За целых шесть месяцев до того, как он принял решение о числе сооружаемых калютронов, его предшественники, полковник Джеймс Маршалл и подполковник Кеннет Николс, занялись решением одной важной снабженческой задачи. В Соединенных Штатах был острый дефицит меди, которая была лучшим из распространенных материалов для обмоток электромагнитов. Казначейство предложило предоставить во временное пользование серебро в слитках, которое можно было использовать вместо меди. Манхэттенский округ решил попытаться воспользоваться этим предложением. Николс вел переговоры о займе серебра с заместителем министра финансов Дэниэлом Беллом. «Где-то в ходе переговоров, – пишет Гровс, – Николс… сказал, что им потребуется от пяти до десяти тысяч тонн серебра. На это ему ответили ледяным тоном: “Господин полковник, в Казначействе серебро меряют не тоннами, а тройскими унциями”»[2113]. В конце концов из хранилища в Вест-Пойнте было выдано 395 миллионов тройских унций – 13 540 американских тонн[2114] – серебра, которое отлили в цилиндрические болванки, раскатали в 12-метровые ленты и намотали на железные сердечники на заводе компании Allis-Chalmers в Милуоки. Вытянутый овал каждого «ипподрома» был увенчан сплошной серебряной шиной поперечным сечением около одной десятой квадратного метра. Серебро стоило более 300 миллионов долларов. Гровс учитывал каждую его унцию почти так же тщательно, как он учитывал