Какими будут реактор и бомба?
Второе совещание "Уранового общества", само существование которого теперь было переведено в ранг военной тайны, проходило в научно-исследовательском отделе Управления армейского вооружения в Берлине. Это подразделение возглавлял Эрих Шуман, вырвавший контроль над "Урановым обществом" у Эзау, руководившего им под эгидой Имперского исследовательского совета, который, в свою очередь, подчинялся Имперскому министерству народного просвещения и пропаганды. Во главе проекта, по распоряжению Шумана, стал Дибнер. Помогать ему должен был Багге. Дибнер изучал физику в Инсбруке и Галле; в 1934-м сотрудничал с Имперским бюро стандартов и Управлением армейского вооружения. Багге учился в Мюнхене и Берлине, а в 1938 году защитился у Гейзенберга в Лейпциге. И Дибнер, и Багге были верны нацистскому режиму.
Прибыв на место, Гейзенберг присоединился к Гартеку, Гану, Дибнеру, Багге и другим участникам "Уранового общества", в числе которых был и Карл Фридрих фон Вайцзеккер, бывший студент Вернера и близкий его друг. Вайцзеккер 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, ощущалась нехватка материалов для исследования, однако основа для начала работы над проектом все-таки существовала.
Бор и Уилер настаивали на том, что расщепление ядра урана возможно благодаря существованию изотопа U. Для разделения его ядра достаточно бомбардировки медленными нейтронами. Чтобы сделать то же с гораздо более распространенным изотопом U, 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 U. В этом случае частицы, обладающие большой энергией, не смогут вызывать цепной реакции, поскольку в качестве ловушки для них выступит ядро U. 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 U, 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 U, 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) 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.
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 U 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, 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.
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 U. 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. 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.
Получить нужное количество тяжелой воды было сложнее. Единственным предприятием, производящим ее в промышленных масштабах, был завод норвежской компании Norsk Hydro. Тяжелая вода вырабатывалась там как побочный продукт при производстве удобрений. Первую ее партию получили в 1934 году. Завод, действовавший в поселке Веморк неподалеку от города Рьюкан в губернии Телемарк, находился на возвышенности среди фьордов. Это был дальний уголок Норвегии, удаленный от Осло на 240 километров к западу.
Таким образом, более подходящим кандидатом на роль замедлителя казался графит: он был легко доступен в чистом виде и в больших количествах. Однако предварительные результаты, полученные командой исследователей из Гейдельберга, которую возглавлял химик Вальтер Боте, уже позволяли сделать вывод о непригодности графита в подобном качестве, поскольку он слишком быстро поглощал свободные нейтроны. То же предсказывал и Вайцзеккер, проведя в Берлине теоретические изыскания вместе со своей группой.
Во втором отчете Гейзенберга, предоставленном в военное министерство в феврале 1942 года, было четко видно, что он все больше склоняется к тяжелой воде как замедлителю в реакторе. Конечно, такой вариант считался менее удобным: получить то количество субстанции, которое требовалось для нужд проекта, было весьма непросто. Дибнер думал о необходимости сооружения завода по производству тяжелой воды в самой Германии. Но, по мнению Гейзенберга, для начала достаточно найти всего несколько литров тяжелой воды и опытным путем проверить ее пригодность в качестве замедлителя. Дибнер пообещал доставить ему десять литров с завода Norsk Hydro.
Однако норвежцы не были расположены к сотрудничеству. С Norsk Hydro связался представитель гигантского германского химического синдиката IG Farben, владевшего пакетом акций этой норвежской компании. Он предложил выкупить все имевшиеся в наличии запасы тяжелой воды. В то время завод в Веморке производил около десяти литров в год, что полностью удовлетворяло не совсем понятные нужды исследовательских лабораторий - основных клиентов предприятия. На вопрос о том, зачем ему нужно такое большое количество тяжелой воды, представитель IG Farben вразумительного ответа дать не смог. Норвежцы принесли свои извинения и ответили на его просьбу отказом, заявив, что не могут дать немцам того, что они хотят.
Вскоре после этого визита к Norsk Hydro с похожим предложением обратился Жак Аллье - и получил прямо противоположный ответ. Аллье был представителем Banque de Paris et des Pays Bas, владевшего контрольным пакетом акций норвежской компании, и лейтенантом Второго бюро - французской военной разведслужбы. Жолио-Кюри, находившийся в Париже, также пришел к выводу о возможности использования тяжелой воды в качестве замедлителя в реакторе и сообщил министру вооружений о важности этой субстанции для ядерных исследований.
Аллье прибыл в Осло под вымышленным именем. Имея при себе чек на 36 миллионов франков, он попытался начать переговоры о продаже ему всей тяжелой воды, что была в наличии на заводе. Но когда стало ясным ее истинное предназначение, директор Norsk Hydro Аксель Оберт безвозмездно передал французскому правительству всю тяжелую воду, какая имелась на предприятии. "Передайте [им], что наша компания не возьмет ни сантима за эту продукцию, если она хоть как-то поможет Франции одержать победу", - сказал он. Из Веморка тяжелую воду сначала тайно перевезли самолетом в Эдинбург, а затем на пароме и по железной дороге переправили в Париж.
Падение Франции
Ситуация драматически изменилась 9 апреля 1940 года, когда германские войска атаковали Данию и Норвегию в рамках операции "Везерские маневры". Датское правительство поспешно капитулировало, опасаясь карательных налетов люфтваффе, и подписало пакт о ненападении, чтобы хотя бы частично сохранить политическую самостоятельность. Нильс Бор, который давно осознавал неизбежность надвигавшейся катастрофы, находился в тот момент в Копенгагене и уже не мог никуда выехать.
Норвежцы оказали немецкой армии гораздо более упорное сопротивление. Король Хокон VII вместе с другими членами королевской семьи и главными министрами все-таки смог покинуть страну, увезя с собой в Великобританию и золотой запас Норвегии. Они сформировали эмигрантское правительство, а власть в стране захватил симпатизировавший нацистам Видкун Квислинг, который организовал государственный переворот и по радио объявил себя премьером. В районе Рьюкана развернулись ожесточенные бои. Этот город стал последним оплотом защитников Северной Норвегии. Германские войска вошли в него 3 мая. Ни о каких переговорах теперь не могло быть и речи. Немцы выяснили, что все запасы тяжелой воды были тайно переправлены во Францию, однако особых препятствий для увеличения производительности завода не было. Чтобы удовлетворить нужды германского ядерного проекта, было обещано расширить производство до полутора тонн в год.
10 мая армия фашистской Германии вступала на территорию Франции, Бельгии, Нидерландов и Люксембурга. Бронетанковые дивизии шли напролом через леса Арденн, оттесняя войска союзников Франции, которые заняли позиции на территории Бельгии. В состав этих союзных сил входили и британские экспедиционные войска - десять пехотных дивизий, отправленных на франко-бельгийскую границу после аннексии Польши. В воздушном пространстве над Бельгией и Голландией превосходством очень быстро завладели люфтваффе. Голландская армия прекратила сопротивление 14 мая, после того как ковровым бомбардировкам подвергся Роттердам. Окруженные британские экспедиционные силы вместе со множеством французских солдат 26 мая были эвакуированы из Дюнкерка. Удачное спасение такого большого количества живой силы называли потом не иначе как "Дюнкеркским чудом". 28 мая капитулировала Бельгия.
Обезопасив себя с севера, германские силы продолжили захват Франции с юга. Военные действия там начались 5 июня. 10 июня Италия объявила войну Франции и Великобритании. 14 июня пал Париж, а французское правительство бежало в Бордо. Сил на сопротивление почти не осталось, и уже 22 июня французское правительство заключило с Германией перемирие. Это произошло в Компьенском лесу, в том же самом вагончике, в котором в 1918 году было достигнуто другое мирное соглашение.
В августе 1939 года Советский Союз подписал с нацистской Германией пакт о ненападении и в ноябре того же года вторгся на территорию Финляндии. После падения Франции препятствием, отделявшим Германию от захвата всей Европы, были только Великобритания, Греция, Британское содружество нацийплюс остатки армий Франции и ее союзников.
Бельгийские рудники компании Union Miniere по германскому заказу поставляли раньше около тонны обогащенной урановой руды в месяц. Теперь, когда Бельгия была захвачена, компания Auer потребовала 60 тонн.
Физики "Уранового общества" в спешном порядке прибыли в лабораторию Жолио-Кюри в захваченном Париже еще до конца июня. Первыми были Боте, Шуман и Дибнер. Лабораторию покинули все, кроме самого Жолио-Кюри. Он помог Дибнеру собрать воедино все результаты работы французских ядерщиков, а также закончить монтаж циклотрона, который начали его бежавшие коллеги.
Жолио-Кюри не смог скрыть, что был причастен к перевозке урановой руды из Бельгии и тяжелой воды с завода в норвежском Веморке. На вопросы немецких физиков о теперешнем местоположении материалов он ответил просто: руда-де исчезла где-то в южном направлении вместе с французским правительством (на самом деле ее перевезли в Алжир), а тяжелую воду погрузили на борт судна, которое утонуло (в действительности корабль - на нем находились также и коллеги Жолио-Кюри Хальбан и Коварски - благополучно доплыл до берегов Великобритании).