Мировой ядерный клуб. Как спасти мир - Яков Рабинович

Харитон исходил из общепринятой схемы распространения детонации, предусматривающей сжатие взрывчатого вещества ударной волной и последующую химическую реакцию, вызванную нагреванием при сжатии. Но сжатое вещество может расширяться и при этом остыть, не прореагировав химически. Если скорость реакции мала, то время ее развития слишком велико. Детонация затухает. Харитон высказал принцип, согласно которому для детонации заряда нужно, чтобы время разлета сжатого вещества превышало время реакции. В свою очередь, время реакции зависит от свойства вещества, давления и температуры, и наоборот – давление и температура зависят от свойств вещества. Кроме того, время разлета находится в зависимости и от диаметра заряда!

Отсюда следовал важнейший практический вывод: одно и то же вещество может быть почти инертным и не взрываться, если его взять в виде тонкого цилиндра, например, в лабораторных испытаниях. Но, тоже вещество способно полноценно взрываться (детонировать), будучи взято в виде большого заряда – например, в авиабомбе весом в одну тонну или больше. Разработанная Харитоном идея позволила понять причину трагического взрыва в 1921 г. нескольких тысяч тонн аммиачной селитры, скопившихся на одном немецком заводе. Аммиачная селитра считалась инертным веществом, и с ней соответственно и обращались. Но в большой массе, когда время разлета стало очень большим, могла возникнуть детонация.

В первые месяцы Великой Отечественной войны в лаборатории Харитона много внимания было уделено созданию детонатора мгновенного ударного действия для противотанковых гранат с взрывчатым веществом. Из осажденного Ленинграда он уехал с одним из последних эшелонов. В Казани, куда эвакуировался Институт химической физики, Юлий Борисович пробыл очень недолго, его вызвали в Москву. Он был прикомандирован к одному из институтов Наркомата боеприпасов и до конца войны участвовал как в работах по боевому использованию суррогатированных взрывчатых веществ, так и в разработке кумулятивных гранат и снарядов. За эти работы Харитон был удостоен первой своей правительственной награды – ордена Красной Звезды.

Игорь Васильевич Курчатов, став руководителем атомной программы, сразу привлек Харитона к наиболее ответственной части работ.

Выбор Курчатова был не случаен. Они были знакомы еще с 1924 г. и особенно тесно сблизились в конце тридцатых годов, когда оба включились в работы по ядерной физике.

Надо сказать, что не только в двадцатые годы, но и позже, в тридцатые, ядерные исследования казались чистой наукой. В 1932 г. Резерфорд сказал, что только фантасты могут думать о применении ядерной энергии. До конца своей жизни (он умер в октябре 1937 г.) Резерфорд придерживался этого категоричного мнения. Известно, что в 1934 г. он буквально выгнал из своего кабинета Лео Сцилларда, который пришел к нему с идеей цепной реакции с размножением нейтронов. Обиженный Сциллард назло Резерфорду получил патент на изобретение. Позднее, после войны, правительство США купило этот патент у Сцилларда за двадцать тысяч долларов.

Абрам Федорович Иоффе в отличие от Резерфорда не был пессимистом в отношении использования ядерной энергии. Свойственная ему глубокая интуиция подсказывала, что именно в этой области физики предстоят крупнейшие прорывы в понимании основных свойств материи. А это, как не раз показывала история, должно вызвать и крупные сдвиги в технике, и в частности, в энергетике, которая всегда привлекала внимание Иоффе.

Поэтому, несмотря на то, что институт и лично Иоффе подвергались сильной критике за «академическое» увлечение чистой физикой, Иоффе постоянно оказывал поддержку исследованиям атомного ядра. Более того, чтобы ускорить организацию этих работ, на некоторое время лично возглавил отдел, ведущий ядерные исследования. Заместителем его стал И.В. Курчатов. Позднее в Академии наук СССР была создана «урановая комиссия», в которую вместе с несколькими академиками вошли Курчатов и Харитон.

Мы уже говорили, что к ядерным цепным реакциям Харитон приблизился, по сути, еще в своих экспериментах с фосфором, поэтому открытие деления урана под действием нейтронов вызвало у него живейший интерес.

Забросив другие дела, он вместе с автором этого очерка, Я.Б.Зельдовичем, лихорадочно стал выяснять новые пути, новые возможности, которые теперь открывало деление урана.

Замечательным был даже не сам факт, что тяжелое ядро способно «развалиться» на две части, и что при этом выделялась энергия в двадцать-тридцать раз большая в сравнении с известными ранее радиоактивными процессами. Еще более интересным было то, что при каждом распаде рождалось от двух до трех нейтронов, которые, в свою очередь, могли «разбивать» следующие ядра.

Значит, открылась принципиальная возможность цепной ядерной реакции, в которой один нейтрон, вызвав деление, приводит к появлению, например, двух нейтронов, в следующем цикле появится уже четыре нейтрона и т. д. Становилось в принципе возможным осуществление ядерного взрыва. В научной литературе было высказано даже предположение, что извержения вулканов являются природными ядерными взрывами. Однако вскоре выявилась довольно сложная картина.

Знаменитый физик – отец квантовой механики Нильс Бор – высказал предположение, что медленные нейтроны делят только редкий (0,7 %) изотоп уран-235, а основной изотоп (99,3 %) уран-238 делится только при действии быстрых нейтронов, захватывая при этом без деления медленные нейтроны и особенно сильно – нейтроны промежуточной энергии. В работах 1939–1941 гг., опубликованных в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» и в обзоре, напечатанном в журнале «Успехи физических наук», Харитон (вместе с Зельдовичем) с позиций цепной теории анализирует условия осуществления ядерной реакции. Оказывается, что природный уран – ни редкий, ни основной, ни в виде металла, ни в виде окиси – не поддерживает цепной реакции.

В следующей работе тех же авторов анализировались условия реакции в смесях природного урана с замедлителями и прежде всего с водой. Но ответ оказался снова отрицательным.

Тогда был поставлен вопрос о необходимости найти другие замедлители, которые не захватывали бы нейтроны. Таким замедлителем мог бы стать гелий, но применить этот газ технически трудно. В настоящее время хорошо известно, что подходящими замедлителями стали тяжелая вода и сверхчистый графит (углерод). В обзоре Харитона и Зельдовича эти вещества упоминались предположительно потому, что не были известны с необходимой точностью их свойства. Для успешного осуществления цепной реакции с помощью графита понадобилась дополнительная идея применения урана в виде цилиндров (блоков). Идея эта была выдвинута в США итальянским физиком Энрико Ферми, а в СССР независимо (работы в тот период были секретными, как в США, так и в СССР) – советскими физиками И.И. Гуревичем и И.Я. Померанчуком.

Другой путь к осуществлению ядерной цепной реакции состоит в разделении изотопов, т. е. в получении либо чистого урана-236, либо урана, обогащенного изотопом урана-235, с содержанием в несколько процентов вместо 0,7 процента в природном уране.

Надо сказать, что за несколько лет до возникновения урановой проблемы Харитон рассмотрел вопрос о разделении воздуха на кислород и азот с помощью ультра центрифуги за счет использования разности их молекулярного веса. Тогда же он подсчитал энергетические затраты и необходимый размер оборудования. По довоенным масштабам размеры завода казались чрезвычайно большими.

Эта идея и расчеты были немедленно применены к разделению изотопов урана, точнее, их газообразных соединений. Однако впервые промышленное разделение урана было произведено иначе, на основе разной скорости перетекания тяжелого и легкого изотопа через пористые перегородки (так называемый диффузный метод). В последнее время промышленность снова обращается к ультра центр и фу гам, в соответствии с тем (на что в свое время указал Харитон), что в этом методе минимальны необходимые затраты энергии. Из печати известно, что ряд фирм в США и один из крупных западноевропейских концернов работают над разделением изотопов с помощью центрифуг. Все технические данные этих работ строго засекречены.

В третьей работе Харитона и Зельдовича рассматривался вопрос об устойчивости ядерных реакторов, были выявления факторы (запаздывающие нейтроны), резко облегчающие регулирование реактора. По существу, в этой работе одновременно начато выяснение тех условий, которые нужно создать для того, чтобы получить полноценный ядерный взрыв.

Когда Харитон узнал о том, что американцы взорвали экспериментальное устройство, первое чувство, которое он испытал, была досада. Советская физика в теоретическом плане к этому была, по сути, готова еще в канун войны.

Как известно, война вызвала перерыв в ядерных исследованиях. В первый, наиболее тяжелый период 1941 г. естественно было стремление ученых работать над вопросами, имеющими прямой и быстрый выход, в частности по совершенствованию существующей боевой техники, и мы знаем, что Харитон работал именно в этой области.