В прошлых статьях, посвященных урановому проекту, мы остановились на 1939 годе, когда в Германии впервые теоретических доказали возможность деления ядер урана с высвобождением огромной энергии. Став лидерами в данной отрасли, немцы, наверняка должны были добиться успеха в деле создания ядерной бомбы. Глядя на их прогресс в промышленной и военной сферах второй половины 30х годов сомнений могло не быть. Однако, все оказалось не так гладко.
Первые шаги к ядерному реактору
В середине апреля 1939 года во время коллоквиума по физике в Геттингене профессор Вильгельм Ханле прочитал собравшимся небольшую статью, подготовленную им к печати. Речь в ней шла о некоей машине, использующей ту самую энергию, что выделяется при расщеплении урана. Министерство образования рейха отреагировало с поразительной быстротой. Профессору Абрахаму Эзау из Йены было поручено тотчас созвать конференцию.
Заседание проходило 29 апреля 1939 года в министерстве на Унтер‑ден‑Линден в обстановке строгой секретности. Присутствовали профессор Эзау (председатель), профессора Йоос, Ханле, Гайгер, Маттаух, Боте и Хофман, а также доктор Дамес, представлявший само министерство.
Профессора Йоос и Ханле лаконично обрисовали уровень развития ядерной физики в Германии и в ведущих зарубежных странах, а также поговорили о том, насколько реально строительство экспериментального уранового реактора. Профессор Эзау рекомендовал собрать воедино все запасы урана, имеющиеся в стране. Кроме того, решили создать научно‑исследовательскую группу, куда войдут все ведущие физики рейха. Руководить ей собирался сам профессор Эзау.
Тем временем атомная машина Германии набирала обороты. Когда другой участник собрания Маттаух вернулся к себе в институт, его немедленно атаковали два молодых физика‑теоретика: доктор фон Вейцзеккер и доктор Флюгге. Зигфрид Флюгге поведал Маттауху, что уже написал популярную статью о ядерной энергии, но боится ее публиковать. В конце концов, он все же обнародовал свои идеи в июньском номере «Naturwissenschaften». Статья вышла под заголовком «Можно ли использовать ради технических нужд энергию, заключенную внутри атомных ядер?»
Один кубический метр порошка уранового оксида весит 4,2 тонны и содержит три тысячи септильонов (3 х 10 27) молекул или девять тысяч септильонов атомов урана, говорилось в ней. При расщеплении каждого из этих атомов высвобождается энергия, равная 100 миллионам электрон‑вольт. Итак, одного кубометра оксида урана будет достаточно, чтобы взметнуть один кубический километр воды, весящий около двенадцати триллионов тонн (12 х 10 12), на высоту 27 километров!
Проблема лишь в том, что это невероятное количество энергии выделяется молниеносно, в течение какой‑то сотой доли секунды. Можно ли как‑то замедлить эту реакцию, то есть можно ли контролировать ее, чтобы использовать энергию, таящуюся в урановом сырье, в мирных целях? Флюгге полагал, что в будущем создадут «урановую машину», обогатив воду солями кадмия, которые поглотят избыточную энергию нейтронов и удержат ее в недрах машины
Тут же засуетились и военные. Двадцать четвертого апреля, через два дня после памятной публикации в «Nature», молодой профессор из Гамбурга Пауль Хартек и его ассистент д‑р Вильгельм Грот обратились с письмом в военное министерство. Они сообщали, что новые открытия в области ядерной физики, вероятно, позволят изобрести взрывчатку невиданной мощи. Вкратце они изложили суть исследований Гана и Штрассмана и, упомянув о недавнем эксперименте Жолио‑Кюри, пояснили, что американцы, французы и англичане придают огромное значение развитию ядерной физики. В Германии же ей пренебрегают. И зря: «Страна, которая добьется в этой области наибольшего прогресса, получит такой перевес над другими, что сравняться с ней будет уже невозможно».
Письмо поначалу попало в отдел вооружений сухопутных войск. В итоге появился приказ о создании группы по урановым исследованиям, которую возглавил доктор Дибнер, специалист вооруженных сил по ядерной физике и взрывчатым веществам. Так Германия оказалась единственной великой державой, где еще накануне Второй мировой войны был создан научный коллектив, который исследовал возможности применения атомной энергии в военных целях.
Что и как расщеплять и чем замедлять
Развернулась оживленная дискуссия мирного применения атомной энергии. Ученые спорили о том, какой может быть «урановая машина» и как она будет функционировать. Уже было известно, что расщепляется прежде всего легкий изотоп урана – U‑235. Об этом было сказано и в недавно вышедшей статье уже нам известного Нильса Бора. Однако в природном уране содержание его ничтожно мало – всего семь десятых процента! Если же мы попытаемся отделить его от остальных изотопов (природный уран состоит из смеси трех изотопов: U‑238-99,274 %; U‑235-0,72 % и U‑234 0,006 %), то столкнемся с неодолимыми трудностями. То есть путь к использованию ядерной энергии не обещал быть легким.
А уже становилось понятно, что альтернатив этого использования две - неконтролируемая реакция, то есть взрыв бомбы – выплеск всей энергии вещества разом, либо управляемый процесс и урановый реактор. Чтобы процесс стал управляемым, нужно смешать уран с каким‑то веществом, которое будет тормозить быстрые нейтроны, испускаемые в момент расщепления ядра, но не поглощать их – обуздать реакцию, чтобы быстрые нейтроны не покидали активную зону и успевали поглощаться для деления ядрами уранами. Значит, для этого нужен «замедлитель». Для создания бомбы также надо выделить довольно редкий изотоп урана – U‑235, поскольку при обстреле его нейтронами начинается цепная реакция деления ядер урана, происходит взрыв.
Как‑то из ученого сообщества в Германии заговорил про «тяжелую воду»: ему подумалось, что, создавая урановый реактор, ее можно взять в качестве «замедлителя». Было подтверждено, что тяжелая вода идеально замедляет нейтроны, при этом не поглощая их; урановое топливо и тяжелую воду следует разместить в реакторе не вперемешку, а отдельными слоями.
Известно, что тяжелая вода – это вода, в которой атомы обычного водорода заменены атомами дейтерия, его тяжелого изотопа (помимо протона их ядра содержат еще и нейтрон). Эта вода примерно на 11 процентов тяжелее обычной; она замерзает при 3,81 и кипит при 101,42 градусах Цельсия. Но самое главное: она замедляет нейтроны до такой скорости, что изотопы урана U‑238 не могут их уловить, зато эти нейтроны все еще способны расщепить изотопы U‑235.
В канун Второй мировой войны единственной фирмой, выпускавшей тяжелую воду в «промышленных количествах», была норвежская «Norsk‑Hydro». Она действовала при Веморкской гидроэлектростанции, близ городка Рьюкан на юге Норвегии (станция, вырабатывавшая 120 000 киловатт дешевой электроэнергии, располагалась рядом с гигантским водопадом Рьюканфосс).
Тяжелая вода являлась побочным продуктом водородного электролиза. Если подвергать электролизу 100 000 литров воды до тех пор, пока в ячейках не останется всего литр воды, то в этом литре содержание тяжелой воды достигнет 99 процентов. По этому принципу норвежская фирма «Norsк‑Hydro» и изготавливала тяжелую воду. Ее чистота достигала 99,5 процентов. Немецкий ученый, присланный проинспектировать эту установку вскоре после оккупации Норвегии, назвал ее «шедевром, созданным трудом норвежских ученых и инженеров». Эта фабрика сыграет еще огромную роль в срыве немецких планов.
Пока до оккупации вопрос был лишь в том, согласятся ли норвежцы поставлять тяжелую воду в Германию?
Путь к бомбе – через реактор
Уже в первую военную зиму немецким ученым стало ясно, что строительством уранового реактора их работа не ограничится. Впереди их ждет «урановая бомба». Но сначала – «урановая машина». Создать реактор нужно по двум причинам: во‑первых, тогда ученые могут проверить теорию практикой, а во‑вторых, что еще важнее, если удастся построить реактор, то и правительство, и вермахт убедятся, что ученым по плечу и создание бомбы, несмотря на те огромные трудности, которые они теперь все яснее сознавали. Таким же путем, между прочим, пошли и в США.
Вот почему в последующие два года ученые по обе стороны океана почти не вспоминали о бомбе. Все их помыслы были заняты ближайшей, пусть и промежуточной, целью: урановым реактором. Это вовсе не означает, – как порой пытаются убедить нас некоторые историки, – что немцы вовсе не думали о создании «супербомбы». Нет, они лишь предпочитали постепенно идти к цели.
Итак, для начала нужно было найти замедлитель. Действовать можно было двумя способами. Во‑первых, поступать эмпирически: меняя наугад те или иные замедлители, меняя схему расположения топлива, выбирать лучший вариант. У этого метода есть свои плюсы, но многое здесь зависит от случайности. Другой способ основан на теоретических изысканиях. Мы можем заранее судить о том, как будет протекать цепная реакция деления ядер урана. Для этого нам надо знать, например, «эффективные поперечные сечения» различных материалов при разных скоростях обстрела их нейтронами. Такие показатели можно измерить заранее, хотя это отнимает много времени и требует особого умения. Зато для проведения таких измерений нужны крохотные пробы материала, что немаловажно в 1940 году, когда в Германии не хватало урана, тяжелой воды, чистого углерода и бериллия. В конце концов, немецкие ученые, как и их западные коллеги, избрали третий путь. Они попытались совместить оба метода, действуя то по теории, то наугад.
Где взять тяжелую воду?
В 1940 году в различных немецких лабораториях – в Лейпциге, Берлине, Гейдельберге, Вене и Гамбурге – был проведен ряд важных экспериментов. Так, летом и осенью 1940 года Гейзенберг и Депель ставят опыты с оксидом урана и тяжелой водой. Судя по всему, в реакторе на тяжелой воде можно использовать обычный уран, а не обогащенную смесь U‑235, как для бомбы.
Впрочем, в феврале 1940 года Гейзенберг, вернувшись к докладной записке, поданной два месяца назад, дополнил ее подробным математическим расчетом. К сожалению для немецкой науки, он пришел к выводу, что использовать чистый графит в качестве замедлителя вовсе не так эффективно, как показалось поначалу. Гелий тоже не годится, ибо реактор окажется слишком громоздким. Остается тяжелая вода, но,как мы знаем, производить ее было очень непросто.
Тем временем в Норвегию приехал представитель немецкого концерна «ИГ Фарбениндустри», который своими денежными вливаниями содействовал работе фабрики в Рьюкене. Но не текущие дела интересовали его и не финансовая отчетность – представитель всемогущего концерна явился, чтобы затребовать у норвежцев все хранящиеся у них запасы тяжелой воды: 185 килограммов чистотой 99,6 и 99,9 процентов. При этом он заявил норвежцам, что в последующем будет необходим 100 кг в месяц этого бесценного вещества.Удивленные собеседники робко поинтересовались, зачем нужны столь огромные по тем временам запасы тяжелой воды. Однако немец ловко уклонился от прямого ответа. Норвежцам все это не понравилось, и в феврале 1940 года руководители фирмы «Norsк‑Hydro» официально известили своих немецких партнеров, что, к сожалению, не смогут выполнить такой большой заказ. Да и запасов почти нет – они уехали к французам
Все потому, что еще летом 1939 года французский ученый Ф. Жолио‑Кюри окончательно убедился, что цепная реакция деления ядер урана возможна. Более того, он создал модель уранового реактора, состоящую из блоков оксида урана, погруженных в обычную воду, которая должна служить «замедлителем» нейтронов. Однако вода в основном абсорбировала электроны, а не тормозила их. В феврале 1940 года Жолио‑Кюри узнает, что на складе норвежской фирмы «Norsк‑Hydro» хранится 185 килограммов тяжелой воды, и обращается к министру вооружений Франции Раулю Дотри с просьбой закупить эти запасы воды для проведения важнейшего эксперимента. И она была отправлена к французам, немцы опоздали на чуть-чуть.
Поэтому, когда весной 1940 года немецкие войска вторглись в Норвегию и после тяжелых боев 3 мая захватили фабрику, склады ее оказались пусты. Это было одно из первых поражений немцев на пути к урановым бомбе и реактору, которое стало тормозить исследования. О дальнейшем же – в следующих статьях