Однако далеко не всем так повезло. Сотрудников УФТИ Льва Шубникова, Льва Розенкевича, Конрада Вайсельберга, Валентина Фомина и Вадима Горского расстреляли в ноябре 1937 года за "вредительство" и участие в "контрреволюционной организации". Реабилитированы они были только в 1956 году. Парторг института Пётр Комаров и юный аспирант Иван Гусак погибли в заключении.
Результаты проведенной в институте "чистки" оказались сокрушительными: потенциал УФТИ необычайно понизился, и он утратил то положение исследовательского центра, о котором мечтали ведущие ученые несколькими годами ранее. Получается, что в канун открытия деления ядер атомов чекисты-"ежовцы" разрушили один из наиболее важных физических институтов страны.
Тем не менее именно в Харькове намного раньше остальных был предложен работоспособный проект атомной бомбы. В 1938 году, сразу после "чистки", УФТИ был переименован в Харьковский физико-технический институт (ХФТИ). В таком качестве он и стал известен, но уже не как крупный международный научный центр, а как закрытая организация, занимающаяся секретной военной тематикой.
Поскольку во время войны архивы ХФТИ сильно пострадали, сегодня трудно определить конкретные области, в которых велись изыскания. Более или менее достоверно известно, что часть проектов института была связана с созданием сверхмощных генераторов ультракоротких волн, авиационных двигателей на жидководородном топливе, каких-то "рассеивающих силовых лучей" и… "атомно-молекулярного боезапаса"!
О результатах этого последнего проекта говорит патентная заявка, которую харьковские ученые Фриц Ланге, Владимир Семёнович Шпинель и Виктор Алексеевич Маслов подали в 1940 году. Их изобретение настолько опередило время, что они не смогли получить авторские свидетельства и не скоро стали формальными изобретателями первой в мире атомной бомбы. Еще летом 1940 года Маслов опубликовал в ведомственном сборнике трудов ХФТИ тематический обзор по возможностям использования внутриядерной энергии, в котором утверждал, что "создание атомного боезапаса в значительной степени становится технической проблемой". При этом Маслов выделял две главные проблемы: производство достаточного количества изотопа урана-235 для изготовления сердцевины атомной бомбы и разработку инженерной схемы для комплектации критической массы в момент подрыва боезапаса.
Трое изобретателей подали не одну заявку как таковую, а целый пакет, связанный с разработкой "атомно-молекулярного боезапаса": "Об использовании урана как взрывчатого и ядовитого вещества", "Способ приготовления урановой смеси, обогащенной ураном с массовым числом 235. Многомерная центрифуга" и "Термоциркуляционная центрифуга". В рамках этих работ была впервые предложена ставшая впоследствии общепринятой схема атомного взрыва: через подрыв обычной взрывчатки, который силой ударной волны сжимает урановую смесь и создает критическую массу, в которой запускается цепная реакция. Изобретатели, в частности, писали:
Как известно, согласно последним данным физики, в достаточно больших количествах урана (именно в том случае, когда размеры уранового блока значительно больше свободного пробега в нем нейтронов) может произойти взрыв колоссальной разрушительной силы. Это связано с чрезвычайно большой скоростью развития в уране цепной реакции распада его ядер и с громадным количеством выделяющейся при этом энергии (она в миллион раз больше энергии, выделяющейся при химических реакциях обычных взрывов). <…>
Нижеследующим показывается, что осуществить взрыв в уране возможно, и указывается, каким способом. <…> Проблема создания взрыва в уране сводится к созданию за короткий промежуток времени массы урана в количестве, значительно большем критического.
Осуществить это мы предлагаем путем заполнения ураном сосуда, разделенного непроницаемыми для нейтронов перегородками таким образом, что в каждом отдельном изолированном объеме – секции – сможет поместиться количество урана меньше критического. После заполнения такого сосуда стенки при помощи взрыва удаляются, и вследствие этого в наличии оказывается масса урана значительно больше критической. Это приведет к мгновенному возникновению уранового взрыва. Для перегородок могут быть использованы взрывчатые вещества типа ацетиленид серебра. Подобные соединения не дают газообразных продуктов. Поэтому их взрыв приведет к улетучиванию стенок, не вызвав никакого разброса урана.
В качестве примера осуществления такого принципа может служить следующая конструкция. Урановая бомба может представлять собой сферу, разделенную внутри на пирамидальные сектора, вершинами для которых служит центр сферы и основаниями – ее поверхность. Эти сектора-камеры могут вмещать в себе количество урана только немногим меньше критического. Стенки камер должны быть полыми и содержать воду либо какое-нибудь другое водосодержащее вещество (например, парафин и т. д.). Поверхность стенок должна быть покрыта взрывчатым веществом, содержащим кадмий, ртуть или бор, т. е. элементы, сильно поглощающие замедленные водяным слоем нейтроны (например, ацетиленид кадмия). Наличие этих веществ даже в небольшом количестве сделает вместе с водяным слоем совершенно невозможным проникновение нейтронов из одних камер в другие, а потому и сделает невозможным возникновение цепной реакции в сфере. В желаемый момент при помощи какого-нибудь механизма в центре сферы может быть произведен взрыв промежуточных слоев. <…>
В отношении уранового взрыва, помимо его колоссальной разрушительной силы (построение урановой бомбы, достаточной для разрушения таких городов, как Лондон или Берлин, очевидно, не явится проблемой), необходимо отметить еще одну чрезвычайно важную особенность. Продуктами взрыва урановой бомбы являются радиоактивные вещества. Последние обладают отравляющими свойствами в тысячи раз более сильной степени, чем самые сильные яды (а потому – и обычные ОВ). Поэтому, принимая во внимание, что они некоторое время после взрыва существуют в газообразном состоянии и разлетятся на колоссальную площадь, сохраняя свои свойства в течение сравнительно долгого времени (порядка часов, а некоторые из них даже и дней, и недель), трудно сказать, какая из особенностей (колоссальная разрушающая сила или же отравляющие свойства) урановых взрывов наиболее привлекательны в военном отношении.
Как видите, заявка харьковчан настолько точно описывает атомный взрыв и его последствия, что невольно задумываешься: неужели уже в 1940 году для профессионалов все было настолько ясно? Но так кажется только с позиций сегодняшнего дня, ведь нам уже известно, как и когда была создана "супербомба". В далеком 1940-м все представлялось немного иначе, и даже Виталий Хлопин, знаток ядерной физики, в своем заключении отмечал: "Следует относительно первой заявки сказать, что она в настоящее время не имеет под собой реального основания. Кроме того, и по существу в ней очень много фантастического".
Виктора Маслова такой отзыв, конечно, задел, но не заставил опустить руки. Он был уверен в правильности своих расчетов и обратился с письмом к наркому обороны Семёну Константиновичу Тимошенко:
Чисто научная сторона вопроса сейчас находится в такой стадии, что позволяет перейти к форсированному проведению работ в направлении практического использования энергии урана. Для этой цели мне представляется крайне необходимым как можно быстрее создание в одном из специальных институтов лаборатории специально для урановых работ, что дало бы нам возможность проводить работу в постоянном контакте с наиболее квалифицированными техниками, химиками, физиками и военными специалистами нашей страны. Особенно для нас необходимо сотрудничество с высококвалифицированными конструкторами и химиками.
Письмо попало на стол наркома, но на нем была сделана приписка: "Не подтверждается экспериментальными данными". Тимошенко не стал разбираться в сути дела и отклонил предложение физиков. Посему патентная заявка была на несколько лет отложена под сукно, а когда о ней вспомнили, то сделали лишь одно – наложили гриф "Секретно".
Время ФИАН
В начале и середине 1930-х годов ведущие физические институты были частью сети научно-исследовательских учреждений в структуре промышленных комиссариатов. Академия наук не имела в своем составе ни одного большого физического института. Георгий Гамов попытался создать Институт теоретической физики на базе Физического отдела Ленинградского физико-математического института, но Абрам Иоффе и Дмитрий Рождественский подавили его инициативу. Всё же в результате возникшей дискуссии Академия наук в 1932 году предложила Сергею Ивановичу Вавилову организовать физический институт. Вавилов, интересы которого были связаны с явлениями люминесценции и природой света, энергично взялся за дело. Когда в 1934 году Академия переехала в Москву, отдел, руководимый Вавиловым, переместился туда вместе с ней и стал Физическим институтом Академии наук (ФИАН). Многие ведущие физики Ленинграда и Москвы вошли в его штат.
Поскольку Сергей Вавилов хотел, чтобы его институт занимался исследованиями наиболее важных областей физики, он уговорил некоторых из своих молодых сотрудников, в том числе Павла Алексеевича Черенкова и Илью Михайловича Франка, начать работать в области ядерной физики. В частности, Черенков исследовал люминесценцию растворов солей урана, возникающую под действием гамма-лучей. При этом он открыл "черенковское излучение" – голубое свечение, испускаемое под действием пучка высокоэнергичных заряженных частиц, проходящих через прозрачную среду, подобно головной волне, образующейся при движении судна по воде. Игорь Тамм и Илья Франк вскоре развили теорию, объясняющую данный эффект (за эту работу в 1958 году они с Черенковым получили Нобелевскую премию по физике).
Сергею Вавилову, как и Абраму Иоффе, приходилось защищать ядерную физику от критики. Институт периодически проверяли комиссии, которые, как вспоминал позднее Илья Франк, критиковали институт с двух сторон: "Если это была ведомственная комиссия, то она отмечала, что поскольку ядерная физика – наука бесполезная, то нет оснований для ее развития. При обсуждениях в Академии наук мотив критики был иной. Ядерной физикой не занимается здесь никто из признанных авторитетов, а у молодых ничего не выйдет".
Но Вавилов не прекратил попыток превратить ФИАН в центр исследований по физике ядра. В конце 1938 года он сделал доклад на заседании президиума Академии наук, по которому была принята резолюция, где отмечалось "неудовлетворительное организационное состояние этих работ, выражающееся в раздробленности ядерных лабораторий по различным ведомствам, в нерациональном распределении мощных современных технических средств исследования атомного ядра по институтам, в неправильном распределении руководящих научных работников в этой области и т. п.". Президиум просил правительство разрешить ФИАНу начать в 1939 году строительство нового здания, с тем чтобы ядерные исследования как можно скорее были сконцентрированы в Москве. Было также решено учредить Комиссию по атомному ядру, которая бы планировала и организовывала ядерные исследования. Ее председателем должен был стать сам Сергей Вавилов, а членами, помимо прочих, – Абрам Иоффе, Абрам Алиханов и Игорь Курчатов.
Новый мощный толчок ядерной физике придала весть об открытии деления ядра, которая облетела мир в январе 1939 года. Советские ученые узнали об открытии, когда до них дошли иностранные журналы с описанием эксперимента Фредерика Жолио-Кюри. Виталий Хлопин и его сотрудники в Радиевом институте немедленно воспроизвели эксперимент и приступили к изучению химической природы продуктов деления. Открытие деления атомного ядра вызвало сильные сомнения в существовании трансурановых элементов. Но Хлопин продолжал глубоко интересоваться "трансуранами" и проводил опыты, чтобы выяснить, не обнаружатся ли они при расщеплении ядра. В ходе этого исследования он открыл некоторые до этого времени неизвестные реакции распада ядер урана. Хотя выявить трансурановые элементы не получилось, Хлопин заключил, что цепочки радиоактивных превращений на самом деле свидетельствовали об их существовании. 1 апреля 1939 года он написал Владимиру Вернадскому: "Опыты, которые удалось пока поставить, использовав циклотрон, делают весьма вероятным, что трансураны всё же существуют, т. е. что распад урана под действием нейтронов течет различными путями".
В Физико-техническом институте Иоффе открытие деления атомного ядра также привело всех в волнение. Первая советская работа по делению ядра была сделана Яковом Френкелем. Он рассказал об этом на семинаре Курчатова, и вскоре его статья "Электрокапиллярная теория расщепления тяжелых ядер медленными нейтронами" была опубликована в "Журнале экспериментальной и теоретической физики".
Лаборатория Игоря Курчатова приступила к поискам ответа на вопрос, высвобождаются ли свободные нейтроны в процессе деления ядра и если высвобождаются, то в каком количестве. Мы помним, что это был ключевой вопрос, поскольку самоподдерживающаяся цепная реакция возможна только при высвобождении более чем одного нейтрона. Георгий Николаевич Флёров и Лев Ильич Русинов пришли к выводу, что на одно деление приходится от одного до трех таких нейтронов. Первое сообщение об этом они сделали 10 апреля 1939 года. К этому времени, однако, Фредерик Жолио-Кюри и два его сотрудника, Ханс фон Халбан и Лев Коварский, уже опубликовали статью, в которой утверждали, что в процессе деления испускаются вторичные нейтроны, а 22 апреля сообщили, что среднее число этих нейтронов на одно деление составляет три с половиной.
Как только эти эксперименты были завершены, Игорь Курчатов решил проверить гипотезу Нильса Бора, согласно которой медленные нейтроны вызывают деление только редкого изотопа урана-235. Проведя серию экспериментов, Флёров и Русинов подтвердили, что Бор прав, о чем доложили на семинаре 16 июня 1939 года.
К сожалению, результаты опытов, которые ставили советские физики, попадали в западную печать с большой задержкой, и получалось так, что приоритет доставался другим. Работы, выполненные в 1939 году лабораторией Курчатова, не были опубликованы вплоть до 1940 года, а к тому времени они утратили передовое значение.
Самая важная теоретическая работа, выполненная на тот период в СССР, принадлежала ленинградским исследователям Якову Борисовичу Зельдовичу и Юлию Борисовичу Харитону. Летом 1939 года в автобусе по пути в институт Зельдович узнал от коллеги о статье, в которой французский физик Франсис Перрен пытался определить величину критической массы урана, необходимой для возникновения в ней цепной реакции. Идея заинтересовала Зельдовича, и он рассказал Харитону о расчетах, выполненных Перреном. Вместе они проштудировали статью француза, но его анализ не показался им убедительным, и они решили, что сами исследуют проблему.
Поначалу Зельдович и Харитон работали над новой темой по вечерам, но вскоре поняли, что задача настолько велика, что ее решению они должны посвятить все свое время. Они стали посещать семинар Курчатова, на котором вскоре ознакомились с новейшими исследованиями в области ядерной физики.
В октябре 1939 года они направили в "Журнал экспериментальной и теоретической физики" две свои работы. В первой из них рассматривалась возможность развития цепной реакции в уране-238 под воздействием быстрых нейтронов. Зельдович и Харитон теоретически определили условия, при которых цепная реакция может запуститься, и сделали заключение, основанное на имеющихся экспериментальных данных, что требуемые условия не могут осуществиться в уране-238, будь то окись урана или чистый металлический уран.
Во второй статье Зельдович и Харитон исследовали возможность цепной реакции на медленных нейтронах. Опыты, проведенные Энрико Ферми совместно с Лео Силардом и Гербертом Андерсоном в Нью-Йорке, а также Фредериком Жолио-Кюри и его группой в Париже, показали, что на возможность цепной реакции в природном уране существенным образом влияет резонансное поглощение нейтронов в уране-238 до того, как они замедлятся и смогут вызвать деление урана-235. Напомню, что Ферми с сотрудниками провели свои опыты с ураном, помещенным в бак с водой, и пришли к выводу, что "даже при оптимальной концентрации водорода остается крайне неопределенным, превзойдет ли выход нейтронов их полное резонансное поглощение". Иными словами, все еще не было ясно, сможет ли вода замедлить нейтроны так, чтобы избежать резонансного захвата и тем самым сделать возможной цепную реакцию.
Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные группами Ферми и Жолио-Кюри, и, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран – вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции "необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород, или, быть может, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата. <…> Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом-235". Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3 %, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы простая вода или водород. Как мы помним, в этом и состоит ключевое открытие, определяющее путь к высвобождению атомной энергии.
На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра, состоявшейся в ноябре 1939 года в Харькове, Юлий Харитон доложил о работе, выполненной совместно с Яковом Зельдовичем:
Из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа-235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта.
Игорь Тамм, комментируя работу Зельдовича и Харитона, заявил: "Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров". Однако большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Абрам Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 года, отметил, что если основываться на выводах, изложенных в статьях Зельдовича и Харитона, то представляется маловероятным использование результатов ядерной физики в практических целях. Пётр Капица в начале 1940 года по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы атомная энергетика стала реальностью.
Тем не менее исследования условий осуществления цепной реакции деления продолжались и после харьковской конференции. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на план, который составил для своей лаборатории Игорь Курчатов:
В последнее время было открыто явление развала некоторых тяжелых ядер при захвате нейтронов. Эта реакция является новым типом ядерных превращений и представляет большой научный и, возможно, практический интерес.