Эмигрантская бомба
Одной из ключевых фигур британского атомного проекта стал знакомый нам австрийский физик Отто Фриш – племянник Лизы Мейтнер, вместе с которой он открыл распад ядра урана под воздействием нейтронов. Зимой 1939 года Отто Фриш жил с семьей в Стокгольме, но чувствовал, что мирная жизнь заканчивается. Росло чувство незащищенности. Когда в лабораторию Нильса Бора в Копенгагене приехали британец Патрик Блэкетт и австралиец Марк Олифант, Фриш попросил их о помощи. Олифант очень участливо отнесся к просьбе Фриша и вскоре прислал ему письмо, в котором приглашал его посетить Бирмингем летом 1939 года. Спокойствие и уверенность Олифанта весьма впечатлили Фриша, который никак не мог выйти из депрессии, и он не стал ждать еще одного приглашения. Упаковав два маленьких чемодана, он выехал в Англию в качестве туриста.
Австралиец устроил Фриша на должность младшего преподавателя. Тот работал со студентами не на постоянной основе, поэтому, имея достаточно свободного времени, мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто Фриш провел несколько небольших экспериментов по обогащению урана-235 методом термодиффузии. Прогресс, однако, был невелик.
Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал по достижениям в области изучения атомов. Рассказывая в своей статье о расщеплении ядра, Отто Фриш повторял общепринятое на тот момент мнение: если однажды и удастся осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то с учетом того, что в ней должны использоваться медленные нейтроны, взорвать атомную бомбу будет практически невозможно. Но, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент заключается в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывает быстрые нейтроны, имеющие определенную "резонансную" скорость; для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Если построить цепную реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его еще до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать всё меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.
Все ведущие физики пришли к такому же мнению. Однако Фриша очень интересовал ответ на вопрос: что все-таки произойдет, если использовать быстрые нейтроны? Вдруг для цепной реакции на быстрых нейтронах окажется достаточно меньшего количества урана-235, чем считалось прежде?
Отто Фриш поделился своими мыслями с Рудольфом Пайерлсом, который, как мы помним, в июне 1939 года вывел формулу расчета критической массы материала, необходимой для поддержания цепной ядерной реакции. Пайерлс использовал свою формулу для расчета смеси изотопов с большим содержанием урана-238. Фришу необходимо было проводить вычисления другого порядка – с участием чистого урана-235 в присутствии не медленных, а быстрых нейтронов. Проблема заключалась в том, что никто пока не знал, какой должна быть доля урана-235, чтобы обеспечить успешное участие в реакции быстрых нейронов. А не знали этого ученые потому, что пока еще никому не удалось получить достаточное количество урана-235 в чистом виде.
В такой ситуации оставалось только выдвигать предположения. Например, можно было допустить, что каждый нейтрон, попадающий в ядро урана-235, вызывает его немедленный распад. Подобное допущение заметно упростило расчеты. Теперь оставалось только вычислить, какое количество урана-235 необходимо для того, чтобы он легко расщеплялся быстрыми нейтронами.
Отто Фриш и Рудольф Пайерлс подставили в формулу новые числа и были сражены полученным результатом. О десятках тонн урана теперь и речи не шло. Критическая масса, согласно расчетам, составляла всего несколько килограммов. Для вещества с плотностью урана объем такого количества не превышал бы величины мячика для гольфа. По оценкам Фриша, столько урана-235 можно получить за несколько недель, использовав сто тысяч обогатительных аппаратов, подобных тому, который он собрал в бирмингемской лаборатории. В тот момент физики осознали, что создать атомную бомбу все-таки возможно.
Интересно, что поляк Джозеф Ротблат, живший в Ливерпуле, пришел примерно к такому же выводу, что и его коллеги. Зверства, которые творили гитлеровцы у него на родине, подтолкнули Ротблата в конце ноября 1939 года сделать Джеймсу Чедвику предложение обдумать проблему создания атомной бомбы. О своих чувствах поляк писал впоследствии так: "В то время я просто места себе не находил, пытаясь решить, возможно, самую ужасную дилемму из тех, что могут встать перед ученым. Работа над оружием массового поражения ломала все мои убеждения – убеждения о том, каким целям должна служить наука, – но любым идеалам все равно пришел бы конец, если бы в руках у Гитлера всё-таки оказалась бомба".
Ротблат самостоятельно пришел к выводу о том, что расщепление урана-235 медленными нейтронами не породит взрывное выделение ядерной энергии – это возможно только при использовании быстрых нейтронов. Чедвик, выслушав его, лишь хмыкнул в ответ. Однако первоначальный скептицизм англичанина вскоре уступил место нарастающему интересу, а приведенные Ротблатом аргументы подтверждали некоторые догадки Чедвика по данному вопросу. В итоге они вместе сели обсуждать эксперименты, необходимые для достижения поставленной цели.
В это время Отто Фриш и Рудольф Пайерлс обсудили новейшие полученные результаты с австралийцем Марком Олифантом. Тот сразу согласился с приведенными аргументами и рекомендовал изложить их в коротком меморандуме. Ученые составили меморандум в двух частях, обе датированы мартом 1940 года. В первой части рассказывалось главным образом о реальной возможности создать "супербомбу" с использованием урана-235 и о физических принципах, на которых основывалось ее действие. Вторая часть, озаглавленная "Краткое сообщение о свойствах радиоактивной супербомбы", содержала в себе множество удивительно точных предсказаний самого разного толка. Авторы утверждали, что создание атомного оружия – "дело ближайшего времени"; что применение атомной бомбы невозможно без "гибели большого количества мирного населения"; что, "по всей вероятности, Германия действительно занимается разработкой этого оружия".
Энергия, выделяющаяся при взрыве такой супербомбы, примерно такая же, какая выделяется при взрыве 1000 тонн динамита. Энергия выделяется в небольшом объеме, в одно мгновение, при этом возникает температура, сравнимая с солнечной. Ударная волна от такого взрыва уничтожит жизнь в обширной области. Размер этой области трудно оценить, но, вероятно, она покроет центр большого города.
Кроме того, некоторая часть энергии, освобожденной при взрыве бомбы, произведет радиоактивные вещества, которые будут генерировать очень мощные и опасные излучения. Влияние этих излучений будет наибольшим сразу после взрыва, но вещества распадаются лишь постепенно, и даже в течение нескольких дней после взрыва любой человек, оказавшийся в зоне поражения, погибнет.
Некоторые из этих радиоактивных веществ будут распространяться вместе с ветром, загрязняя территорию в несколько миль и продолжая убивать людей.
Удивительно точное для того времени описание последствий атомного взрыва. В записке косвенно говорилось и о "политике сдерживания", которая войдет в практику с появлением атомного оружия:
Если детально проработать предположение о том, что Германия располагает или будет располагать таким оружием, становится совершенно очевидно: найти надежное укрытие от него попросту невозможно, тем более укрытие для большого количества людей. Наиболее эффективной мерой противодействия такому оружию будет только встречная угроза применения аналогичной бомбы.
Марк Олифант отправил подготовленный учеными материал Генри Тизарду – химику из Оксфорда, который занимал должность председателя Комитета по исследованиям в области авиации. Хотя практически все внимание Комитета было отдано разработкам радаров, он всё же считался одной из ведущих организаций, заинтересованных в использовании науки в военное время. Тизард порекомендовал создать небольшую консультативную группу. В итоге в нее вошли сам Олифант, Джордж Томсон, Патрик Блэкетт и Джон Кокрофт. Во главе группы поставили Джорджа Томсона. И опять сложилась парадоксальная ситуация: Отто Фриша и Рудольфа Пайерлса, которые сделали ключевое открытие, прямиком ведущее к созданию атомной бомбы, в состав консультативной группы не включили, поскольку они формально числились гражданами враждебного государства.
Первое заседание группы состоялось 10 апреля в Лондоне, в здании Королевского научного общества. За день до этого германские войска вошли в Данию и Норвегию. Участники группы изучили материалы, подготовленные Фришем и Пайерлсом, но отнеслись к ним скептически. Они признали, что серия небольших экспериментов по обогащению урана-235 имеет смысл, но в то же время нет никаких причин переводить эти исследования в ранг имеющих стратегическое военное значение. Как видите, на этом этапе проекта заседание группы, возглавляемой Джорджем Томсоном, ничем не отличалось от аналогичного заседания комитета, возглавляемого Лайманом Бриггсом в США.
Впрочем, на этом сходство и заканчивалось. 16 апреля Томсон написал Джеймсу Чедвику письмо с приглашением присоединиться к группе. Узнав подробнее о планах Фриша и Пайерлса, Чедвик оказался сбит с толку. В целом его мысли совпадали с тем, что предлагали коллеги, однако Чедвик, не имея на тот момент экспериментальных доказательств, не был уверен, что создание атомной бомбы с использованием урана-235 реально. Британский ученый согласился только с технической частью меморандума, и это резко повысило убедительность изложенного материала для других членов консультативной группы.
Отто Фриш ждал реакции на меморандум, все больше беспокоясь о своей дальнейшей судьбе. Он получил вызов из полиции и выдержал целый допрос. Над ним нависла угроза высылки на остров Мэн, куда отправляли всех нежелательных или подозрительных иностранцев. В это беспокойное время Фриш придумал альтернативный способ выявления механизма цепной реакции. Он решил бомбардировать природный уран медленными нейтронами, которые выбивал гамма-излучением радия из бериллиевой мишени (в то время этот способ считался устаревшим и уступил место более совершенным – с использованием циклотрона Лоуренса). Фриш обработал примерно грамм урана, помещенного в камеру ионизации. И ему удалось сделать целых два важных открытия.
Прежде всего Фриш обратил внимание на явление, которое сначала интерпретировал как аномалию, возникшую в ходе эксперимента. Ядра урана-235 оказались настолько нестабильны, что время от времени попросту распадались без всякого внешнего воздействия, выделяя свободные нейтроны и прочие продукты деления. Вторым открытием стал тот факт, что Фриш, как оказалось, преувеличил количество урана-235, необходимого для эффективного расщепления вещества медленными нейтронами. Это означало, что он преуменьшил критическую массу этого изотопа, необходимую для поддержания цепной реакции. По стечению обстоятельств в то же самое время Пайерлс установил, что критическую массу можно сократить, если окружить делящееся вещество таким материалом, который станет отражать все стремящиеся во внешнюю среду нейтроны обратно в это вещество. Фактически ученые вернулись к тому, с чего начинали.
"Комитет Мауд"
Наконец-то консультативная группа по урану обрела официальный статус. В разговорной речи ее называли "Комитетом Томсона" или "Комитетом профессора Томсона", но такие названия, разумеется, не годились. Прямое указание на то, что Томсон возглавляет какую-то группу, говорило любому мало-мальски осведомленному человеку о работе англичан над проблемой ядерного деления. Нужно было придумать условное наименование в чисто военном стиле.
Существуют две версии о том, как его выбрали.
Самая популярная звучит так. На первом заседании группы вместе с другими вопросами обсуждалась загадочная телеграмма, полученная Фришем и пересланная им Томсону. Она была отправлена 9 апреля Лизой Мейтнер физику Оуэну Ричардсону, в тот день, когда немецкие войска перешли границы Дании: "НЕДАВНО УДАЛОСЬ ВСТРЕТИТЬСЯ С НИЛЬСОМ И МАРГАРЕТ ОБА В ПОРЯДКЕ НО РАССТРОЕНЫ НЕДАВНИМИ СОБЫТИЯМИ ПОЖАЛУЙСТА ИЗВЕСТИТЕ КОКРОФТА И МАУД РЕЙ КЕНТ". В начале сообщения речь шла о том, что с Нильсом Бором и его женой все благополучно, а вот последняя часть ("PLEASE INFORM COCKCROFT AND MAUD RAY KENT") казалась совершенно необъяснимой. Ричардсон показал телеграмму Джону Кокрофту, а тот передал ее своим коллегам в консультативной группе. Судя по воспоминаниям участников тех давних событий, научные и военные авторитеты, присутствовавшие на заседании, изо всех сил состязались в догадливости. Наконец все сошлись на мнении, что это анаграмма, которую следует читать так: "RADIUM TAKEN" – "РАДИЙ ЗАБРАН", что означает: немецкие ядерщики быстро продвигаются вперед. Затем кто-то из присутствующих на заседании предложил назвать консультативную группу словом "Мауд", не имеющим никакого значения, но напоминающим его членам, с чего все началось. Предложение единогласно приняли: "Комитет профессора Томсона" превратился в "Комитет Мауд" (MAUD Committee). Постскриптум к этой истории добавил сам Нильс Бор, когда через три с половиной года прибыл из Дании в Англию. Оказалось, что его телеграмма была сильно искажена при передаче, а точный адрес после слов "МАУД РЕЙ" выпал из текста. Бор поинтересовался: дошла ли его телеграмма до Кокрофта, а также до… его прежней гувернантки мисс Мауд Рей, проживавшей тогда в Кенте?
То, что телеграмма Лизы Мейтнер обсуждалась на заседании консультативной группы под председательством Джорджа Томсона, не подлежит сомнению. Но позднее было объявлено и в различных публикациях подтверждено, что "MAUD" на самом деле означало "Military Application of Uranium Detonation" ("Военное применение уранового взрыва").
Тем временем война разгоралась. Германия захватывала одну страну за другой. Известные ученые бежали от нацистов. 21 июня 1940 года в Великобританию прибыли французские физики Ханс фон Халбан и Лев Коварски из группы Фредерика Жолио-Кюри. Они же привезли с собой драгоценный груз тяжелой воды, уведенной практически из-под носа немецких оккупационных властей. Тяжелую воду временно поместили на хранение в тюрьму Вормвуд-Скрабз, а затем поручили за ней присматривать библиотекарю Виндзорского замка. Фон Халбана и Коварски включили в быстро растущую команду физиков "Комитета Мауд". Теперь они работали в Кавендишской лаборатории Кембриджа и в составе недавно образованной исследовательской группы занимались постройкой реактора на тяжелой воде и уране.
Предоставленную Отто Фришем и Рудольфом Пайерлсом информацию наконец-то оценили должным образом, и теперь физиков, бежавших с континента, всё-таки допустили к участию в программе. Хотя в сам "Комитет Мауд" доступ им по-прежнему был закрыт, ученым разрешили создать вспомогательную техническую группу.
Один из наиболее важных на тот момент вопросов касался выделения урана-235. Уже стало ясно, что лабораторные мощности в Бирмингеме не позволяют одновременно работать над радарной техникой и проводить исследования, связанные с созданием атомной бомбы. Было решено перевести центр главных усилий в Ливерпуль: там, в частности, находился самый совершенный британский циклотрон.
К "Комитету Мауд" присоединился химик Франц Симон из Оксфорда. Для обогащения урана-235 он предложил газовую диффузию – метод обогащения изотопов за счет прокачки их в газовой смеси через пористую мембрану. К началу декабря Симон разработал детальный проект создания завода с полным циклом производства. По его расчетам, такой завод станет вырабатывать в день не менее килограмма урана-235. Строительство подобного комплекса обойдется в 5 миллионов фунтов. Симон обобщил все свои наработки в детальном отчете и сам повез его, превозмогая страх перед бомбежками, в Лондон, где и передал Томсону лично в руки.
К апрелю 1941 года группа Симона испытала уменьшенную модель одной ступени для газодиффузионной установки. Результаты обнадежили физиков, и Симон выступил с предложением построить опытно-промышленную установку из двадцати ступеней. К концу мая контракт на ее сооружение получила компания "Метрополитен-Виккерс". Установку планировали возвести до конца года на базе промышленного комплекса в Ридимуине, местечке на севере Уэльса.
Судя по всему, ученые наконец-то нашли способ выделения большого количества урана-235, и мало кто сомневался: в бомбе будет использован расщепляемый материал с достаточно малой сверхкритической массой. Следующим в центре внимания оказался вопрос, как лучше всего реализовать такое решение. Напрашивался простой способ: чтобы получить взрывчатую "сверхкритическую" массу урана-235, нужно объединить две "докритические" массы. Процесс объединения должен идти с очень высокой скоростью, поскольку в ином случае обе массы начнут испускать нейтроны и взорвутся преждевременно, причем энергия от такого взрыва будет гораздо меньше, чем при объединении и дальнейшей детонации. Тогда был предложен вариант схемы, который впоследствии станет известен как "пушечный": нужно выстрелить небольшой докритической массой активного вещества в другую докритическую массу. Эксперты по оружию уверенно заявили Джорджу Томсону о том, что создание подобной "пушки" вполне возможно.
Тем временем Ханс фон Халбан и Лев Коварски из группы Фредерика Жолио-Кюри продолжали исследования реактора на уране и тяжелой воде. Хотя эти работы не имели прямого отношения к проектированию атомной бомбы, физики "Комитета Мауд" уже знали о возможности получения плутония в реакторе, поэтому создание действующего уранового "котла" воспринималось ими как одна из приоритетных задач. Однако на фоне требований военного времени, с которыми нельзя было не считаться, становилось ясно, что необходимые для дальнейших исследований материалы, так же как и финансирование, предоставлены не будут.
Обсуждение дальнейшей судьбы этого проекта постепенно переросло в гораздо более обширную дискуссию о том, на что вообще может надеяться "Комитет Мауд" в свете активных военных действий, в которые была вовлечена Великобритания. В конечном счете стало очевидно, что следующим шагом физиков должен стать подробный и убедительный доклад правительству, которое одно только и могло оказать существенную поддержку. И такой доклад, опять же в двух частях, был завершен 15 июля 1941 года.
В первой части, озаглавленной "Использование урана для создания бомбы", совершенно недвусмысленно сообщалось:
Мы пришли к выводу о возможности создания действующего образца атомной бомбы, в которой будет использовано всего 11 килограммов активного вещества. Взрыв такой бомбы по разрушительному эффекту эквивалентен взрыву примерно 1800 тонн тротила; кроме того, произойдет выделение большого количества радиоактивного материала, из-за чего территория, примыкающая к месту взрыва, в течение длительного периода будет представлять опасность для жизни человека.
Далее в отчете содержались следующие рекомендации:
1) Комитет считает, что проект урановой бомбы реален, и, весьма вероятно, он окажет решающее влияние на исход военных действий;
2) следует продолжать работу над созданием бомбы, придав этому проекту высочайший приоритет и обеспечив его максимальный темп, поскольку действующие образцы данного вида оружия должны быть получены в наименьшие сроки;
3) сотрудничество с США по данному вопросу следует продолжать и, более того, расширить, особенно в сфере экспериментальных работ.