Тайная история атомной бомбы
Шрифт:
Прибыв на место, Гейзенберг присоединился к Гартеку, Гану, Дибнеру, Багге и другим участникам «Уранового общества», в числе которых был и Карл Фридрих фон Вайц- зеккер, бывший студент Вернера и близкий его друг. Вайц- зеккер учился в Берлине и Копенгагене, а затем защитился в Лейпциге у Гейзенберга в 1933 году. Отцом этого талантливого ученого, занимавшегося теоретической физикой и философией, был Эрнст фон Вайцзеккер, статс-секретарь министра иностранных дел Иоахима фон Риббентропа. За 24 дня до описываемой встречи «Уранового общества», на второй день после начала войны, младший брат Карла, Генрих, погиб в сражении с Девятым пехотным полком у Данцига.
За несколько дней до собрания «Уранового общества» Дибнер вместе с Багге составили примерный план исследовательских работ и назначили конкретные задания каждому из участников программы. Понимание принципов цепной ядерной реакции деления урана было пока неполным,
Бор и Уилер настаивали на том, что расщепление ядра урана возможно благодаря существованию изотопа 235U. Для разделения его ядра достаточно бомбардировки медленными нейтронами. Чтобы сделать то же с гораздо более распространенным изотопом 238U, нужно использовать нейтроны, обладающие намного большей скоростью и энергией. Однако если придать нейтронам строго определенную энергию, называемую резонансной, то ядро урана-238 не распадется, а примет еще один нейтрон, в результате чего образуется нестабильный изотоп 239U. В этом случае частицы, обладающие большой энергией, не смогут вызывать цепной реакции, поскольку в качестве ловушки для них выступит ядро 239U. Нейтронов, которые могли бы вызвать расщепление урана-235, просто не останется.
Опираясь на эти выводы, можно было вывести принцип создания самоподдерживающейся цепной реакции в ядерном реакторе на природном уране. Свободные нейтроны, испускаемые при расщеплении ядра урана-235, должны, очевидно, иметь разную энергию и разную скорость. Если, исходя из их среднего арифметического числа, один или более свободных нейтронов смогут долететь до ядра еще одного атома 235U, то существует вероятность того, что они вызовут его разделение и цепная реакция будет продолжена. С другой стороны, практически все нейтроны могут быть удержаны атомами урана-238, которых статистически гораздо больше, и тогда среднее число оставшихся свободных нейтронов будет менее единицы. В этом случае поддержание цепной реакции станет невозможным и она затухнет.
Решение этой проблемы было абсолютно очевидным. Чтобы максимально увеличить вероятность столкновения свободного нейтрона с ядром урана-235, а значит, и общее количество расщепляемых ядер, в конструкцию реактора необходимо добавить замедлитель. В качестве такового можно использовать материал, атомы которого обладают весом, достаточно малым для того, чтобы замедлить нейтроны, не поглощая их. Если резонансная энергия свободных нейтронов будет меньше той, что необходима для вступления в реакцию с 238U, то они и не будут поглощены его ядром. Отличным замедлителем могли стать так называемая тяжелая вода (в отличие от обычной воды, составной частью ее молекул был не водород, а его более тяжелый изотоп дейтерий [17] ) или же чистый углерод в таком легкодоступном виде, как графит. У Гартека уже имелись определенные наработки по созданию реактора, в котором планировалось чередовать слои урана и тяжелой воды.
17
Ядро водорода состоит из одного протона. Ядро дейтерия обладает большей массой и включает в себя один протон и один нейтрон.
Даже на том раннем этапе, на котором пока находились исследования, было совершенно ясно, что создаваемые реактор или бомба не смогут иметь компактные размеры до тех пор, пока ученым не удастся отделить уран-235 от урана-238. В крайнем случае предстояло весьма значительно обогатить используемый уран атомами с массовым числом 235. Способов сделать это было немного, так что перспектива получения большого количества 235U виделась весьма туманной. Еще несколькими месяцами ранее то же самое заявил и Бор своим коллегам в Принстоне. Наилучший результат пока мог дать только метод термодиффузии [18] , в основу которого легло открытие немецких химиков Клауса Клузиуса и Герхарда Дикеля, сделанное ими в 1938 году. Данный процесс был возможен в силу совсем незначительных различий в рассеивающей способности изотопов, переведенных в газообразное состояние. Различия выявлялись при температурных перепадах. Однако для перевода урана в газообразное состояние необходимо было работать с его гексафторидом, а эта субстанция обладает весьма неприятными свойствами: она вызывает коррозию практически любого материала, с которым соприкасается.
18
В основе термодиффузии лежит тот факт, что легкий газ движется в сторону источника тепла. Основу аппарата Клузиуса-Дикеля составляли две вертикальные
Таким образом, на данном этапе перед физиками из «Уранового общества» стояли две проблемы. Во-первых, необходимо было оценить пригодность различных материалов в качестве замедлителя, производя для этого хотя бы базовые расчеты и измерения. После предстояло продумать оптимальную конструкцию ядерного реактора. Во-вторых, требовалось найти способ получить большое количество урана-235.
Багге было поручено выяснить, является ли тяжелая вода оптимальным замедлителем. Гартек должен был продолжить подготовительные работы по разделению изотопов урана посредством термодиффузии, а также сравнить эффективность выделения свободных нейтронов в реакторах различной конфигурации. Задачей Гейзенберга стало изучение возможности осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию ядер урана с учетом известных физических свойств материалов, которые могут использоваться в реакторе.
Шуман сообщил всем, что военное министерство обратилось к Физическому институту Общества кайзера Вильгельма в Берлине с официальным требованием разместить «урановый проект» на своей базе. В связи с этим всех иногородних участников «Уранового общества» просили переехать в Берлин. Однако практически все они отказались, поскольку им гораздо удобнее было оставаться у себя и приезжать в столицу только раз или два в неделю. Каждый ученый горел желанием внести свой вклад в новое дело, однако для них «Урановое общество» оставалось лишь одним из многих проектов, которыми они занимались параллельно с преподаванием. Ни у кого пока не было даже мысли о том, что в недалеком будущем придется спешно отказаться от такой привычной жизни университетского работника.
Тяжелая вода
Гейзенберг погрузился в изучение необходимой литературы и в декабре 1939 года предоставил военному министерству первую часть детального отчета под названием «Возможность производства технической энергии делением ядра урана». Данная работа Гейзенберга и легла в основу будущей ядерной программы Германии.
Ученый изначально все свои усилия направил на изучение физических процессов, происходящих в ядерном реакторе или, как его еще называли, «урановом котле». Он не видел необходимости отделять эти процессы от тех, которые будут происходить в урановой бомбе, считая их просто противоположными концами сплошного спектра. Одним концом должен был стать реактор, построенный на природном уране с использованием подходящего замедлителя. На другом конце спектра, таким образом, находилось взрывное устройство, состав которого должен быть максимально приближен к «чистому» урану-235.
По расчетам Гейзенберга, для создания реактора, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция, требуется свыше тонны урана и приблизительно тонна тяжелой воды. Реактор должен иметь сферическую форму и стабильно работать при температуре около 800 °C. Габариты реактора можно несколько уменьшить, используя послойное расположение его элементов, что настойчиво предлагал сделать Гартек. Гейзенберг дополнил его отчет, отметив в качестве заключения, что, по всей видимости, дальнейшее уменьшение размеров реактора возможно за счет обогащения используемого урана изотопами 235U. Обогащение урана, по его словам, было «единственным способом получения взрывчатого вещества, сила которого на несколько порядков превышает все, чем до этой поры располагало человечество». На данном этапе исследований Гейзенберг пока еще не выяснил, что станет лучшим замедлителем — тяжелая вода или графит.
Военное министерство предложило контракт на производство и поставку большого количества обогащенной окиси урана компании Auer, руководство которой находилось в Берлине. Auer могла поставлять уран из окрестностей чехословацкого Йоахимсталя [19] . Радиологической лабораторией компании в то время руководил Николай Риль, русский химик. Когда-то он изучал ядерную химию и физику у Гана и Мейтнер и теперь немедленно разместил производственное оборудование в Ораниенбурге, всего в 32 километрах севернее Берлина. Первая тонна окиси урана была поставлена уже в начале 1940 года.
19
Сейчас это город Яхимов в Чехии. — Примеч. пер.