Эксперимент, получивший кодовое обозначение В-I, закончился неудачей. Исследователи надеялись получить подтверждение "умножению" нейтронов - увеличению количества получаемых нейтронов в различных секторах реактора. Это, в свою очередь, означало бы, что самоподдерживающаяся цепная реакция стала на один шаг ближе. Однако, как выяснилось, количество нейтронов не увеличивалось, а, наоборот, уменьшалось. Примерно по такой же схеме несколько недель спустя провели повторный эксперимент (под кодовым названием B-II). В нем использовали чуть более 6 тонн окиси урана, в качестве замедлителя снова выбрали твердый парафин. Результаты были примерно такими же, как и в первый раз.
В Лейпциге над сборкой другого экспериментального реактора работал Роберт Депель, а руководил тамошним проектом Гейзенберг. В новом реакторе два основных элемента, оксид урана и парафин, расположили по-другому - концентрически. Однако и этот эксперимент, обозначенный L–I, закончился неудачей, подтвердив простой факт: углерод и водород служить замедлителями не могут, по крайней мере в виде твердого парафина.
Тем временем группа Боте, работавшая в Гейдельберге, опытным путем доказала, что тяжелая вода может быть весьма эффективным замедлителем. Оставалось проверить только графит. Боте намеревался объявить результаты опыта - насколько интенсивно ядра графита поглощают нейтроны, - проведенного ранее, недействительными из-за того, что исходный материал был с большим количеством примесей. В связи с этим он обратился в Управление армейского вооружения Германии с просьбой помочь найти чистый графит для исследований, который впоследствии поставила компания Siemens. Боте получил 100-сантиметровую сферу из чистейшего (по заявлению представителя Siemens) электрографита. В январе 1941 года Боте, работая совместно с Питером Иенсеном, выяснил, что особо чистый графит проявляет себя в качестве замедлителя хуже, чем материал с небольшим количеством примесей. Оба ученых были немало удивлены этим фактом, однако Боте посчитал, что вряд ли все напрямую зависит от наличия этих самых примесей. По заключению обоих ученых, графит вообще нельзя применять в качестве замедлителя для реакторов, в которых используется малое количество урана-235.
Однако на самом деле именно определенное количество примесей повлияло на полученные учеными результаты; скорее всего, это был бор, попадающий в графит при производстве.
За год до этого Сцилард, проводя похожие эксперименты в Колумбийском университете, пытался сделать все возможное, чтобы исключить это вещество из используемого им графита. Физик из Геттингена Вильгельм Ганле поставил под сомнения результаты, полученные Боте и Иенсеном. Он не входил в "Урановое общество" и работал над проблемами расщепления урана самостоятельно. Ганле пытался доказать, что графит все-таки может быть эффективным замедлителем, а причина расхождений в полученных до этого результатах - именно в примесях. Данные своих исследований ученый сообщил в Управление армейского вооружения.
К этому времени все чаще стали говорить о тяжелой воде как о материале, наиболее подходящем для использования в качестве замедлителя. Стоимость производства графита требуемой степени чистоты признали слишком высокой, в особенности с учетом того, что за сравнительно небольшие средства можно обеспечить массовые поставки тяжелой воды с захваченного завода в Веморке.
Однако к концу 1940 года немецкие физики получили оттуда только 8 литров необходимой для экспериментов жидкости. Снова был поднят вопрос о строительстве завода по производству тяжелой воды на территории Германии, но после его детального рассмотрения подобные действия сочли экономически нецелесообразными. Вирца отправили в Веморк, чтобы на месте изучить ситуацию и обсудить, как увеличить производительность предприятия.
Критично для дальнейшего развития
Плохие новости начали приходить одна за другой. Гартеку, работавшему в Гамбурге совместно с еще одним участником "Уранового общества" - Гансом Иенсеном, наконец пришлось признать, что термодиффузия по методу Клузиуса-Дикеля неприменима к гексафториду урана. Для разделения изотопов ученые использовали устройства с трубками, большими, чем те, что были у Фриша в Ливерпуле, в том числе и аппарат 5,5 метров в высоту, установленный на заводе IG Farben в Леверкузене, однако результаты были абсолютно теми же, что и у их коллеги в Англии. За семнадцать дней удалось получить всего один грамм гексафторида урана с удвоенным количеством изотопов U - эффект разделения составил всего лишь 1 %. Как выяснилось, при тех температурах, которые обеспечивали стабильное состояние гексафторида, коэффициент разделения практически равнялся нулю. При увеличении температуры он мог бы вырасти, однако гексафторид урана, подвергаясь большему нагреванию, распадался на составные элементы. Стало очевидно, что методом термодиффузии невозможно ни выделить необходимое количество U, ни обогатить то количество урана, которое требовалось для запуска реактора или взрыва бомбы.
Собрание "Уранового общества" в марте 1941 года проходило в мрачной атмосфере. После его окончания Гартек сообщил в Имперское военное министерство о том, что ученые столкнулись с двумя серьезными проблемами. Во-первых, им требовалось довольно большое количество тяжелой воды, которую собирались использовать в качестве замедлителя, а во-вторых, новый метод выделения урана-235 все еще не был найден. Решение вопроса с тяжелой водой казалось более простым: при наличии достаточного ее количества в реакторе можно использовать обычный, природный уран. Если же тяжелую воду получить не удастся, реактор нужно строить на обогащенном уране, и в этом случае замедлителем может служить обыкновенная вода. По мнению Гартека, задействовать обогащенный уран следует только "в особой ситуации, при которой вопрос стоимости производства отходит на второй план".
Иными словами, начинать работы по выделению U в больших масштабах стоило только в том случае, если возникнет необходимость создания бомбы. Искать метод разделения изотопов не перестали - ученые обсудили несколько довольно радикальных путей. Багге предложил использовать электромагнитное разделение. Этот метод основан на том, что при пропуске изолированного "пучка атомов" через электромагнитное поле разные изотопы урана имеют разные траектории полета. Если такой пучок направить через два модулятора, которые вращаются с разной скоростью, часть пучка с большим количеством урана-235 пройдет через это поле, а часть с преимущественным содержанием урана-238 - нет.
Вильгельм Грот, коллега Гартека из Гамбурга, внес другое предложение - использовать ультрацентрифугу. Вирц и Хорст Коршинг, еще один физик из "Уранового общества", достигли первых обнадеживающих результатов, применив метод термодиффузии к жидкостям. Однако никому из ученых, занятых в проекте, так и не пришло в голову попробовать метод газовой диффузии, на котором в Великобритании остановились Симон и Пайерлс.
Физики "Уранового общества" ранее признали термодиффузию по Клузиусу-Дикелю единственным перспективным способом разделения изотопов, и теперь работать над альтернативными методами им приходилось с нуля. Именно поэтому критичным фактором для дальнейшего развития германской ядерной программы становились поставки тяжелой воды.
Им следует ускорить работу
Даже в те исключительные времена Фрица Хоутерманса считали исключительной личностью. И не зря. Родился он в Данциге, детство провел в Вене вместе с мамой, в жилах которой текла в том числе и еврейская кровь. Фриц отказался от прелестей зажиточного существования (его отец был процветающим банкиром из Голландии) и открыто выражал свои радикальные политические взгляды. Его курс психоанализа у Зигмунда Фрейда закончился досрочно, когда Хоутерманс признался, что придумывал свои сны. А из школы Фрица выгнали за то, что 1 мая он цитировал своим одноклассникам "Коммунистический манифест".
Заинтересовавшись физикой, Фриц поступил в Геттингенский университет в Германии, где учился вместе с Джеймсом Франком. Ему довелось встречаться со множеством известных личностей, работавших в то время в университете, в том числе с Гейзенбергом, Ферми и Оппенгеймером. В 1920-х - начале 1930-х годов Хоутерманс укрепил свою репутацию ученого благодаря исследованиям физических процессов, происходящих при излучении энергии звездами. В Геттингене Фриц встретил немку Шарлотту Рифеншталь, которая также занималась физикой, и начал за ней ухаживать (какое-то время за Шарлоттой ухаживал и Оппенгеймер). В августе 1931 года молодые люди оказались вместе в Одессе, на конференции по физике. Там же они и поженились. Свидетелем на свадьбе был Рудольф Пайерлс.
Ко времени прихода Гитлера к власти у Хоутерманса уже развилась стойкая ненависть к фашистам. Хотя конфликт с гестапо и постоянные просьбы Шарлотты вынудили Фрица переехать в Британию, бездействовать он не намеревался. Он начал активно помогать Сциларду в поиске путей эвакуации из Германии физиков, вынужденно покидавших свой дом. Хоутерманс также придумал способ печатать миниатюрные копии страниц из The Times: их можно было спрятать за приклеенную почтовую марку и вместе с корреспонденцией пересылать друзьям в Германию. Это был неплохое средство борьбы с ложью, наводнившей все немецкие средства массовой информации.
Хоутерманс сочувствовал коммунистам, и поэтому его нетрудно было убедить переехать в Украину: ученого пригласили в Украинский физический институт. Это было время, предшествовавшее Великой чистке. Несколько лет Фриц прожил в Харькове, став свидетелем всех ужасов сталинского режима. Затем сотрудникам института предъявили обвинение в том, что они укрывают шпионов из Германии. Хоутерманса арестовали 1 декабря 1937 года. К счастью, Петр Капица помог Шарлотте вместе с двумя детьми бежать сначала в Копенгаген, а затем в Америку.
В тюрьме Фриц пробыл два с половиной года. Первое время его держали в Москве - в печально известной тюрьме на Лубянке, расположенной в центральном здании НКВД, затем перевели в Бутырку, после нее - в тюрьму на Холодной горе в Харькове. Оттуда ученый попал в центральную харьковскую тюрьму, находившуюся под неусыпным наблюдением НКВД, где подвергался пыткам. Впоследствии он детально описал самые разные методы допроса, к которым прибегал НКВД. Так, одна из пыток происходила следующим образом: стоя на полу камеры, заключенный должен был наклоняться вперед, к стене, перенося весь вес на пальцы ног. Совсем скоро боль в пальцах становилась невыносимой. Однако Хоутерманса его мучители так и не сломили.
Все же, когда следователи начали угрожать Фрицу арестом жены и детей (Хоутерманс еще не знал, что им ничего не угрожало: к этому времени они уже были в Америке), ученый согласился подписать признание. В нем он назвал имена тех своих коллег, кто успел, по его мнению, выехать из страны и был вне досягаемости органов советской госбезопасности. В апреле 1940 года Хоутерманса передали гестапо - согласно заключенному Советско-германскому пакту - и его немедленно арестовали по подозрению в шпионаже в пользу СССР. Фрица снова отправили в тюрьму - на этот раз в берлинскую.
На свободе Хоутерманс оказался в июле: ему помог коллега и близкий друг Макс фон Лауэ. Фрицу стало известно о существовании "Уранового общества", и он испытал немалое потрясение, узнав о том, какую роль в германском ядерном проекте играли в тот момент Гейзенберг и Вайцзеккер. Хоутермансу и самому вот-вот предстояло вплотную заняться изучением деления ядер.
Хотя ученого и освободили из тюрьмы, он оставался под неусыпным наблюдением гестапо. Его лишили права работать в университетах и заниматься исследованиями государственной важности. Лауэ подыскал ему место в группе Манфреда фон Арденне - независимого ученого и предпринимателя. Когда-то фон Арденне получил неплохое наследство и решил оборудовать в Лихтерфельде, пригороде Берлина, частную лабораторию. От Имперского министерства почты он добился финансовой поддержки проводимых в его лаборатории независимых исследований по расщеплению ядра урана. Вильгельм Онезорге, возглавлявший это министерство, дал свое согласие финансировать проект потому, что был уверен, так же как и сам Арденне: создание атомной бомбы на расщепляемом уране вполне возможно. Онезорге даже сообщил об этом Гитлеру, правда, не лично.
Хоутермансу поручили проработать теоретические основы ядерной цепной реакции. К концу 1940 года он самостоятельно пришел к тем же выводам, какие сделали более чем за год до этого Вайцзеккер, Макмиллан и Тернер. Резонансный захват нейтрона атомом урана-238 должен был в итоге привести, по его мнению, к образованию нового расщепляемого элемента с 94 протонами. Если построить ядерный реактор, с его помощью получится синтезировать этот элемент-94: он должен легко отделяться от отработанного материала реактора, и его можно использовать в качестве начинки ядерной бомбы. Хоутерманс был просто в ужасе от своего открытия.
Арденне не мог похвастаться блестящим университетским прошлым. Физику, химию и математику он изучал только четыре семестра, после чего покинул свое учебное заведение и занялся самообразованием. Арденне заранее планировал, что его лаборатория займется исследованиями в области радио- и телевещания, а также электронной микроскопии. Работал он в основном самостоятельно, особо не вовлекая в свои проекты представителей научных кругов. Физикам "Уранового общества" ничего не оставалось, как просто закрывать глаза на деятельность Арденне. Они всегда старались держаться от него на определенном расстоянии. Однако у Хоутерманса были совершенно другие перспективы. В отличие от Арденне, Фриц хорошо разбирался в физике и прекрасно представлял, как могут быть использованы открытия, сделанные этой наукой. В начале 1941 года он сообщил Гейзенбергу и Вайцзеккеру о своих опасениях, связанных с возможностью появления атомной бомбы на основе элемента-94.
Как именно общались эти три физика, неизвестно до сих пор. Хоутерманс не был участником "официального" ядерного проекта, и тот интерес, который сохраняло к его персоне гестапо, не мог не настораживать участников "Уранового общества". По всей видимости, Фриц понял, что Гейзенберг и Вайцзеккер старались "использовать военное время на благо физике". В то же время из всех исследователей, вовлеченных в атомный проект, только он четко понимал: любые благородные намерения обречены на быструю смерть в условиях зверской тирании.
У Хоутерманса были также достаточно обоснованные, хоть и косвенно, предположения, что Вайцзеккер и Гейзенберг довольно активно стараются преуменьшить важность элемента-94. А об этом не следовало знать человеку, который находился под пристальным наблюдением гестапо. Но в то же время выводы, сделанные Хоутермансом, вступали в откровенное противоречие с тем фактом, что Вайцзеккер повсюду говорил о возможности создания бомбы на основе элемента-93 и даже сообщил об этом в июле 1940 года в научно-исследовательский отдел Управления армейского вооружения. Кроме того, если Вайцзеккер действительно изо всех сил пытался скрыть важность элемента-94, то весьма трудно понять мотивы, заставившие его в 1941 году подать заявку на патент, в которой ученый описывал получение элемента-94 в реакторе и его выделение с целью дальнейшего использования в качестве начинки для бомбы, "примерно в десять миллионов раз" мощнее любой известной взрывчатки.
В конечном итоге опасения Хоутерманса заставили его действовать. Лауэ сообщил ему, что появилась возможность отправить письмо в Америку - через Фрица Райхе, физика еврейского происхождения, которому посчастливилось получить визу и разрешение на выезд из страны. В середине марта он собирался отплыть в Нью-Йорк. Хоутерманс попросил Райхе заучить послание наизусть. По воспоминаниям Райхе, он просил о следующем:
Пожалуйста, сообщите это всем: уже совсем скоро Гейзенберг не сможет выдерживать давление со стороны правительства, требующего серьезной и кропотливой работы над созданием бомбы. И еще скажите им, скажите: им следует ускорить работу над этой штукой, если только они ее начали… им следует ускорить работу.
Какими бы мотивами ни руководствовался в действительности Гейзенберг, сам факт его участия в "Урановом обществе" о многом сказал тем физикам, кто работал в Великобритании и Америке, и в особенности тем, кто раньше жил в Германии, но вынужден был ее покинуть. Теперь Хоутерманс оповещал их всех о том, что фашисты, охваченные стремлением заполучить супероружие, уже практически сломили внутреннее сопротивление - неважно, искреннее или показное - тех ученых, которые продолжали работать на территории Германии.
Однако до тех пор, пока первый ядерный реактор не был построен и запущен в эксплуатацию, о получении элемента-94 не могло быть и речи. К тому же Германии для постройки реактора следовало сначала обзавестись достаточным количеством тяжелой воды, и пока эта проблема оставалось нерешенной, ядерная программа вынужденно стояла на месте.
Кровь гуще тяжелой воды
В 1933 году Йомару Бруну, руководившему в Norsk Hydro исследованиями свойств водорода, неожиданно пришла в голову идея, что завод в Веморке, который производит в основном аммиак для азотных удобрений, можно использовать и для выработки немалых объемов тяжелой воды. Объединив усилия с Лейфом Тронстадом, специалистом в области неорганической химии из Норвежского института технических наук в Тронхейме, Брун начал продумывать, как организовать на заводе производство тяжелой воды. В технологическую цепочку предстояло включить сотни аппаратов для электролиза, окисления и конденсации. Предложение было довольно рискованным, однако руководство Norsk Hydro дало добро, и в августе 1934 года предприятие получило от лондонского колледжа Беркбек первый заказ на партию тяжелой воды. В 1935 году в британском журнале Nature Тронстад и Брун опубликовали важные результаты исследований физических свойств тяжелой воды.