Для осуществления управляемой цепной реакции следовало разрешить серьезную задачу - подобрать вещество, которое было бы способно замедлять рождающиеся при делении урана быстрые нейтроны, не поглощая их. При этом замедление должно подчиняться определенным условиям, ибо сам уран-238 весьма "охотно" захватывает нейтроны, скорости которых находятся в определенных границах. Но захват ураном-238 нейтронов, выделившихся при расщеплении ядер, нежелателен, поскольку он будет препятствовать поддержанию цепной реакции. Замедляющее вещество, или замедлитель, должно успевать на весьма малом отрезке пути затормаживать нейтроны до скорости, меньшей скоростей "резонансного поглощения". Только в этом случае нейтроны не будут понапрасну поглощаться атомами урана-238 и станет возможно поддерживать цепную реакцию.
По мысли Гейзенберга, замедлитель и уран следовало перемешать между собой, сделав из них некое подобие пасты. Что же касается взрывного развития реакции, то, по убеждению Гейзенберга, его можно было осуществить, только воспользовавшись чистым ура-ном-235.
Готовился к совещанию и Хартек. Вместе с доктором Суэссом они пытались найти методы создания атомного реактора. Как и Гейзенбергу, им сразу же пришлось столкнуться с проблемой замедлителя. Суэсс экспромтом, как бы в озарении, предложил использовать тяжелую воду. Поначалу Хартек резко возражал. Он-то прекрасно знал, чего стоит набрать даже ничтожное количество этой драгоценнейшей жидкости. Еще в 1934 году он в течение многих недель пропускал ток через небольшой сосуд с водой, ради того чтобы добыть всего лишь несколько кубических сантиметров тяжелой воды. В те дни он работал в Кавендишской лаборатории у самого Резерфорда. И это было первое задание, полученные от него Хартеком. А потом они с Олифантом и Резерфордом провели замечательный эксперимент. Впервые в истории им удалось осуществить ядерный синтез. Но одно дело - несколько граммов для эксперимента, другое - несколько тонн тяжелой воды для атомного реактора. Можно ли было надеяться на согласие властей финансировать приготовление столь значительного количества тяжелой воды? Хартек не сомневался в отказе. И все же достоинства ее как замедлителя были столь высоки, что Хартек не удержался от соблазна рассмотреть хотя бы теоретически реактор с тяжелой водой.
На совещание он привез доклад "Устранение резонансного поглощения в уране-238 путем послойного расположения урана и тяжелой воды". В отличие от Гейзенберга он не считал нужным смешивать уран и воду, по его мнению, эти два вещества следовало располагать чередующимися слоями. Такое техническое решение оказалось по тому времени одним из самых удачных.
Второе совещание выявило необходимость первоочередного проведения двух работ. Во-первых, требовалось изыскать способ получения больших количеств чистого урана-235 и, во-вторых, исследовать количественно все вещества, потенциально пригодные для использования в качестве замедлителя. И уже на этой основе - установить, насколько реально создание атомного реактора на медленных нейтронах.
Теоретическое исследование возможности получения цепной реакции в уране поручалось Гейзенбергу, а Багге предстояло проводить измерения эффективного сечения ядер тяжелого водорода. Хартеку было рекомендовано продолжить попытки выделения урана-235 методом термодиффузии и, кроме того, создать экспериментальную установку для измерения зависимости коэффициента размножения нейтронов от конструктивных параметров атомного котла. В общем распределение работ соответствовало программе, намеченной Дибнером и Багге за несколько дней до начала совещания; всем исследователям гарантировалась финансовая поддержка.
В эти же дни Шуман объявил о намерении военного министерства взять под контроль Физический институт кайзера Вильгельма в Далеме, с тем чтобы на базе его кадров и уникальной аппаратуры превратить институт в новый центр для Группы исследований по ядерной физике. Все ученые, входившие в группу, должны были собраться под одной крышей. Это намерение само по себе было и логичным, и оправданным. Но в обстановке, существовавшей в немецкой науке тех лет, оно не могло быть претворено в жизнь - среди ученых не нашлось желающих променять положение светил первой величины в созвездиях провинциальных университетов на роль спутников в блестящей берлинской плеяде. Однако никто из приглашенных в то же время не счел нужным отказаться от участия в атомном проекте. В этом смысле весьма характерно письмо, направленное Хартеком в военное министерство:
"Мне необходимо продолжать работу в Гамбурге. Но я всегда буду иметь возможность еженедельно, на один-два дня, приезжать в Берлин".
В те дни дорога из Гамбурга в Берлин еще занимала не более двух часов, но другие города, где тоже проводились работы, - Гейдельберг, Мюнхен, Вена, - были не столь близки к Берлину. Основными членами Группы исследований по ядерной физике в Берлине стали Вайцзеккер, Виртц, Бопп, Борман и Фишер.
Причины, по которым ученые вообще соглашались участвовать в атомном проекте, сильно отличались от мотивов, побудивших их заокеанских коллег взяться за аналогичные работы. Разумеется, сказывалось и присущее каждому ученому стремление к разгадке нового, желание работать на переднем крае науки, но немалую роль играли и "предвходящие" обстоятельства. Так, например, Маттаух впоследствии утверждал, что это участие давало возможность избавить молодых физиков от призыва в армию, продолжать привычную жизнь ученых-исследователей. Лауэ подтвердил слова Маттауха, он также считал важнейшей задачей тех лет спасти молодых физиков от фронта. По словам Вайцзеккера, который сам тогда был еще молод, он вынужден был подписать контракт с военным министерством в 1939 году лишь потому, что все остальные исследовательские работы не спасали его от службы в армии.
4
Заказ на производство нескольких тонн рафинированной окиси урана получила фирма "Ауэр гезельшафт". Это была одна из самых известных фирм, занимавшихся переработкой редкоземельных элементов и благодаря этому накопившая богатый опыт промышленного извлечения химических соединений тория из монацитовых песков. Эти соединения главное применение прежде находили в широкоизвестной "Ауэровской мантии". После захвата Чехословакии "Ауэр гезельшафт" одной из первых приступила к эксплуатации урановых рудников в Иоахимстале, и к началу войны у нее образовались небольшие запасы урана в виде неочищенного ураната натрия и окиси урана.
Благодаря работам по выделению радиоактивного мезотория в промышленных масштабах фирма создала при своей Центральной лаборатории первоклассный Радиологический отдел. Заведовал лабораторией тридцативосьмилетний доктор Николаус Риль. Он начинал свою карьеру в Берлине под руководством Гана и Мейтнер. А затем, поступив в "Ауэр гезельшафт", так повел дело, что фирма заняла господствующее положение в производстве светомасс.
Острое конъюнктурное чутье и на этот раз не обмануло Риля, он сразу же смекнул, что урановый проект имеет особую важность. Он взял в собственные руки производство урана в "Ауэр гезельшафт" и не выпускал его до конца войны. Уже через считанные недели после получения заказа от военного министерства Риль сумел пустить под Ораниенбургом небольшую промышленную установку с месячной производительностью в одну тонну окиси урана. Получаемый на этой установке продукт был практически свободен от примесей редкоземельных элементов, но содержал недопустимое количество бора, который весьма сильно поглощает нейтроны. Наладить извлечение бора было непросто, и поэтому первую тонну окиси урана, очищенной в требуемой высочайшей степени, заказчики получили лишь в первые недели 1940 года. И несмотря на всю важность и срочность атомного проекта, в Далеме даже спустя два месяца после второго совещания не было ни грамма окиси урана, и ни физики, ни химики института не могли приступить к экспериментам.
А между тем нужный уран в Германии имелся. Разумеется, у Эзау. Ведь перед самой войной ему удалось перехватить чистую окись урана у министерства экономики. Но Эзау был вовсе не склонен делиться с кем-либо своими запасами. Он был из тех, кто не забывает обид, и не желал хоть в чем-то содействовать военному министерству, вырвавшему у него из-под носа то, что он считал принадлежащим ему по праву. Кроме того, он вовсе не отказался от мысли самому ведать делами атомного проекта.
Когда военное министерство забрало у него из Гёттингена лучшего химика-аналитика по урановым соединениям, Эзау счел это досадной случайностью. Но когда оно спешно отозвало членов "Атомного клуба" Эзау, гёттингенских физиков Йоса, Маннкопфа и Ханле - последнего среди ночи буквально вытащили из постели, - Эзау понял все. Он спешно телеграфировал Ханле, но тот не получил послания своего бывшего шефа - телеграмму перехватили военные. Не помогли Эзау и другие действия. И Гёттингенская исследовательская группа прекратила свое существование…
В середине ноября Эзау в последний раз обратился за помощью к своему шефу по министерству просвещения профессору Менцелю. Реакция Менцеля была весьма характерной: он не только не оказал Эзау поддержки, но накричал на него и не постеснялся даже обвинить своего ближайшего сотрудника в том, что идею атомных исследований он украл у Департамента армейского вооружения, где такие исследования ведутся "уже много лет". Обвинение совершенно абсурдное, ибо никакие исследования не были мыслимы до открытия расщепления урана. Но Менцеля это вряд ли смутило, демагогия в гитлеровской Германии была вернейшим и испытанным средством. Взбешенный Эзау не нашел ничего лучшего как написать Беккеру. Но как ни был он обозлен, он понимал, что в создавшихся условиях и у него есть лишь одно средство - демагогия, облаченная в ризы "высших германских интересов". В письме Беккеру он утверждал, что во имя этих высших интересов необходима координированная работа всех специалистов. Он утверждал, что инициатива в организации снабжения ураном, в проведении анализов принадлежит ему лично и что "грубое устранение" его от предпринятых исследований нанесло серьезный урон Физическому отделу Имперского исследовательского совета (директором Совета и был Менцель), поставило под удар авторитет Эзау как главы Физического отдела. Однако у Менцеля и Беккера, видимо, были свои расчеты. Письмо не помогло Эзау. Запасы урана были в конце концов у него изъяты и переданы в Институт кайзера Вильгельма.
В один из декабрьских дней в коридоре Лейпцигского института Багге повстречался с сияющим от радости Гейзенбергом. Не в силах скрыть свое торжество, Гейзенберг затащил Багге к себе в кабинет и похвастался, что ему только что удалось разрешить проблему стабилизации цепной реакции с медленными нейтронами. Крошащимся под рукой мелом Гейзенберг быстро выписал на доске несколько формул, говоривших обоим физикам очень многое. Цепная реакция могла стабилизироваться автоматически! Ибо при повышении температуры эффективное сечение ядер урана уменьшалось, а вследствие этого и скорость протекания цепной реакции должна была падать до тех пор, пока при некоторой температуре, определяемой конструктивными параметрами реактора, не наступала стабилизация. Расчеты показывали и другое отрадное обстоятельство: температура, при которой происходила стабилизация, оказывалась сравнительно невысокой, всего порядка сотен градусов, а не тысяч, как ожидалось. По всем имевшимся у него тогда данным, Гейзенберг полагал ее близкой к 800 градусам для сферического реактора диаметром 120 сантиметров, заполненного пастой из смеси двух тонн урана и тонны тяжелой воды с отражателем из тяжелой воды.
А 6 декабря в своем отчете военному министерству Гейзенберг указывал, что при послойном расположении урана и замедлителя, предложенном Хартеком, размеры реактора окажутся даже значительно меньшими. Другим замечательным свойством такого реактора была возможность снимать с него мощность в соответствии с потребностью. Эта возможность сохраняется до тех пор, пока не произойдет "выгорание" большей части топлива, или же до тех пор, пока не наступит отравление уранового топлива продуктами деления.
Последние абзацы отчета, написанного Гейзенбергом для военного министерства, показывают, как много смогли сделать немецкие ученые всего лишь за два месяца, прошедшие со дня начала работ.
Заключение. В свете современных данных процессы расщепления урана, открытые Ганом и Штрассманом, могут быть использованы для производства больших количеств энергии. Наиболее надежным путем создания реактора, способного производить большое количество энергии, является обогащение ураном-235. Чем выше степень обогащения, тем меньшим по размерам можно сделать реактор. Обогащение ураном-235 - единственная возможность создать реактор, объем которого будет заметно меньше одного кубического метра. Более того, обогащение - единственный метод изготовления взрывчатого вещества силой, на несколько порядков величины превышающей все до сих пор известные.
Однако что касается производства энергии, то в этом случае возможно применение обычного необогащенного урана при условии, что уран будет использоваться совместно с другим веществом, замедляющим, но не поглощающим нейтроны, испускаемые ураном. Вода непригодна для этой цели. Исходя из существующих данных можно полагать, что подходящими окажутся тяжелая вода и чрезвычайно чистый графит. Даже ничтожные примеси приведут к полной невозможности получения энергии.
Гейзенберг предупреждал также, что реактор явится исключительно мощным источником опасного нейтронного и гамма-излучения.
Как показал в 1932 году американский ученый Юри, в водороде, выделяющемся при электролитическом разложении воды, содержится в 5-6 раз меньше тяжелого водорода - дейтерия, - чем в воде, остающейся в баллоне для электролиза. Однако, чтобы получить один литр тяжелой воды с концентрацией 99%, потребуется разложить сто тысяч литров обычной воды, если электролиз производить в одной ступени. Поэтому на практике так никогда не делается, тяжелую воду получают путем использования нескольких последовательных ступеней электролиза; обогащенная вода из первой ступени заливается во вторую, где она обогащается в еще большей степени, затем - в третью и так далее.
Тяжелая вода, о которой уже не раз говорилось на страницах этой книги, по целому ряду технических соображений является идеальным веществом для замедления нейтронов до таких скоростей, что ядра урана-238 уже не захватывают их, но в то же время скорость нейтронов остается достаточной для расщепления ядер урана-235. Как явствует из самого названия, удельный вес тяжелой воды больше, чем обычной. Поскольку в молекуле тяжелой воды D20 вместо двух атомов обычного водорода содержатся два атома тяжелого водорода - дейтерия, удельный вес последней на 11% выше, чем легкой воды. В ядре дейтерия дополнительно содержится нейтрон, в то время как в ядре обычного водорода содержится только один протон.
Точка замерзания тяжелой воды соответствует не 0°С, а 3,81° С, температура кипения при нормальном давлении равна 101,42° С.
Когда разразилась война, во всем мире только одна фирма - Норвежская гидроэлектрическая компания - выпускала в коммерческих масштабах тяжелую воду, которая была побочным продуктом получаемого электролизом водорода. Завод, являвшийся, по словам одного немецкого физика, "шедевром норвежской техники и науки", был расположен в Веморке, близ Рьюкана, в Южной Норвегии.
Здесь, ниже гигантского водопада Рьюкан-Фосс, в гранитном здании электростанции, примостившейся у крутого склона, работали гидрогенераторы постоянного тока общей мощностью 120 тысяч киловатт. Электроэнергия на этой станции обходилась очень дешево, и львиная доля ее направлялась прямо в здание электролизного производства, расположенное на том же выступе скалы, что и сама электростанция.
Как уже говорилось, обычный процесс электролиза очень неэкономичен, так как значительная часть дейтерия при этом пропадает впустую, уходит вместе с водородом. Поэтому Норвежская гидроэлектрическая компания в 1934 году усовершенствовала последние три из девяти ступеней электролиза. Усовершенствование заключалось в установке на последних трех ступенях устройств для сжигания в кислороде обогащенного дейтерием водорода, выделяющегося при электролизе в этих трех ступенях. При сжигании получалась обогащенная вода, и ее вновь направляли на электролиз, но в более ранние ступени, где концентрация тяжелой воды была примерно той же самой. Обычный водород, получаемый в первых шести ступенях, поступал на завод синтетического аммиака. Этот завод являлся первым норвежским предприятием по изготовлению искусственных удобрений.
Однако концентрация тяжелой воды на девяти ступенях электролиза повышалась далеко не достаточно, всего лишь до 13%. Для получения почти чистой тяжелой воды обогащенная вода направлялась на завод высокой концентрации, спроектированный профессором Лейфом Тронстадом и доктором Йомаром Вруном. Здесь концентрация тяжелой воды электролитическим способом повышалась до 99,5%.
Завод в Веморке вошел в строй в 1934 году, а к 1938 году его полная выработка исчислялась лишь 40 килограммами. Но к концу 1939 года только месячное производство уже достигло 10 килограммов. Если учесть, что в самой Германии существовал один жалкий заводишко электролитического водорода мощностью 8000 киловатт, легко представить себе, насколько немцы были заинтересованы заводом в Веморке. Правда, им следовало еще заручиться согласием самих норвежцев (Норвегия еще оставалась свободной), и в этом-то заключалась главная трудность.