Атомный проект. История сверхоружия - Антон Первушин

Возможно, что будут умышленно распускаться слухи (как делается всегда, когда усиливается международная напряженность) относительно использования этого процесса для производства какого-то ужасающего нового секретного взрывчатого вещества, способного смести Лондон с лица Земли. Несомненно, что «пятая колонна» попытается повлиять на нас и посредством этой угрозы посеять дух капитуляции. По этой причине категорически необходимо установить истинное положение дел.

Во-первых, самые лучшие авторитеты считают, что лишь небольшая составная часть урана эффективно участвует в этих процессах. Использование же их в крупных масштабах – дело многих лет. Во-вторых, цепная реакция возможна лишь в том случае, если уран собран в большую массу. По мере нарастания энергии масса будет взрываться с умеренной детонацией, до того как произойдут какие-либо сильные эффекты. Это может оказаться тем же, что и современные взрывчатые вещества, и маловероятно, чтобы могло произойти что-нибудь значительно более опасное. В-третьих, данные эксперименты не могут быть проведены в малом масштабе. Если бы они были успешно выполнены в большом масштабе (то есть с результатами, которые угрожали бы нам вне зависимости от шантажа), то это невозможно было удержать в секрете и мы бы узнали о них. В-четвертых, на территории Чехословакии, контролируемой Берлином, урана имеется сравнительно немного.

Поэтому боязнь того, что новое открытие обеспечит нацистов каким-то зловещим новым секретным взрывчатым веществом, с помощью которого они уничтожат своих противников, очевидно, не имеет оснований. Несомненно, будут делаться туманные намеки и непрестанно распускаться пугающие шепотки, но следует надеяться, что никто им не поддастся.

Многие замыслы об атомной бомбе, в сентябре 1939 года казавшиеся в какой-то степени реальными, в первые месяцы войны потеряли всякое значение. В научно-популярных журналах еще могла обсуждаться возможность такого оружия, однако физики имели другое мнение на этот счет. Они знали, что с помощью замедленных нейтронов можно изготовить «котел», но бомбу с разрушительной силой, оправдывающей затраченные на нее усилия, – едва ли. Что касается быстрых нейтронов, то они, казалось, никогда не смогут стать спусковым механизмом чудовищного взрыва.

Такое безнадежное положение дел обернулось реальным прорывом из-за двух обстоятельств. Одним из них стало подстегивающее действие страха при мысли, что кто-то в Германии найдет ключ к решению проблемы (чего совершенно не было в США, если исключить Лео Силарда с его богатым воображением). Другим была не потерянная еще уверенность, что небывалый взрыв все же можно получить, если изготовить блок из чистого урана, превосходящий «критическую массу». В таком блоке быстрые нейтроны могли быть достаточно эффективными, чтобы произвести взрыв, даже если большая часть их захватят ядра урана-238.

О такой возможности физики знали давно, и в начале 1939 года она служила темой для шуток, которые можно было слышать в студенческих аудиториях Кембриджа. Говорили, что физики в состоянии легко разрешить «проблему Гитлера». Достаточно сотрудникам дюжины лабораторий упаковать в виде посылок имеющийся у них уран, адресовать их фюреру и высылать почтой по заранее составленному расписанию. Посылки стали бы прибывать в различное время дня и попадать к Гитлеру на письменный стол. Наконец прибудет последняя «критическая» посылка. Самая тщательная проверка ничего не даст: посылка будет выглядеть совершенно безобидно до тех пор, пока ее не положат на стол рядом с остальными. И в тот же момент фюрер исчезнет в пламени атомного взрыва.

Как бы ни шутили, оставалось препятствие, кажущееся непреодолимым: вопрос о размере критической массы. Хотя точных чисел назвать никто не мог, а вычисления были весьма сложными, ученые представляли себе, что критическая масса, если она вообще существует, должна значительно превосходить все количество чистого урана, добытого за год. Высказывались предположения, что если бы даже и удалось ее получить, то взрыв атомной бомбы был бы эквивалентен взрыву нескольких тонн тринитротолуола или аналогичного ему химического взрывчатого вещества – и не больше.

В Великобритании разрешением этого вопроса занимался берлинец Рудольф Пайерлс, эмигрировавший сначала в Цюрих, а затем перебравшийся в Кембридж. Пайерлс, подобно многим другим эмигрантам, испытавшим на себе давление нацистского режима, постоянно находился в тревоге из-за слухов о том, что в Германии может появиться оружие, с помощью которого Гитлер поработит весь мир. Летом 1939 года профессор Пайерлс решил определить критическую массу блока из чистого урана. Вопрос и ответ, приведенные в статье, полученной Кембриджским физическим обществом 14 июня, носили вроде бы чисто академический характер. Пайерлс писал, что цепная реакция, вызываемая размножением нейтронов, по-видимому, осуществима в чистом уране. Он добавлял, что «размножение нейтронов возможно только в том случае, если путь, пройденный каждым нейтроном внутри тела, достаточен, чтобы произошло столкновение». Далее он предлагал серии уравнений, в которые было необходимо лишь подставить ядерные константы, чтобы получить критическую массу урана (то есть размер возможной бомбы). Позднее он рассказывал, что его проверочный расчет давал массу в несколько тонн и огромные размеры, поэтому он с легкой душой отправил статью в печать, полагая, что такую «махину» никогда и никто построить не сможет. Статья под заголовком «Критические условия процесса размножения нейтронов» была опубликована в октябрьском выпуске «Трудов Кембриджского физического общества» – через несколько недель после начала войны.

Тут эстафету подхватил Джеймс Чедвик – тот самый английский физик, который в 1932 году открыл нейтрон. Через три года после своего выдающегося открытия Чедвик перебрался из Кембриджа в Ливерпуль, где занялся сооружением первого британского циклотрона. К началу 1939 года на циклотроне было проведено немало работ, и Чедвику удалось сколотить неплохой коллектив экспериментаторов. Среди них был талантливый молодой поляк Джозеф Ротблат, первым осуществивший в Варшаве эксперименты по ядерному делению.

Мысль о том, что цепная реакция деления урана может послужить основой для создания бомбы, возникла у Джеймса Чедвика поздней осенью 1939 года. Как он думал, реакция, распространяемая медленными нейтронами (единственный вариант, рассматривавшийся в то время), способна вызвать эффект, лишь ненамного отличавшийся от того, который дает сильно взрывчатое химическое вещество. Поэтому, чтобы изготовить новый вид оружия, нужно получить цепную реакцию, инициируемую быстрыми нейтронами. Такая реакция казалась невозможной в природном уране, хотя бы и в большом объеме. Чедвик решил исследовать уран-235, установив раз и навсегда его эффективное поперечное сечение на быстрых нейтронах.

Серию экспериментов на циклотроне он начал в январе 1940 года. Непосредственной работой занимался Джозеф Ротблат. После запуска циклотрона записывающие приборы показали ежеминутное возникновение нескольких перемежающихся всплесков на кривой. Затем настала очередь урана-235. Разница в результатах оказалась громадной: аппаратура записала очень высокую активность. Атомы урана-235 расщеплялись со скоростью, которая в 10 000 раз и более превосходила скорость деления атомов урана-238. Теперь оставалось определить, какая критическая масса урана-235 потребуется для того, чтобы вызвать атомный взрыв.

Эмигрантская бомба

Одной из ключевых фигур британского атомного проекта стал знакомый нам австрийский физик Отто Фриш – племянник Лизы Мейтнер, вместе с которой он открыл распад ядра урана под воздействием нейтронов. Зимой 1939 года Отто Фриш жил с семьей в Стокгольме, но чувствовал, что мирная жизнь заканчивается. Росло чувство незащищенности. Когда в лабораторию Нильса Бора в Копенгагене приехали британец Патрик Блэкетт и австралиец Марк Олифант, Фриш попросил их о помощи. Олифант очень участливо отнесся к просьбе Фриша и вскоре прислал ему письмо, в котором приглашал его посетить Бирмингем летом 1939 года. Спокойствие и уверенность Олифанта весьма впечатлили Фриша, который никак не мог выйти из депрессии, и он не стал ждать еще одного приглашения. Упаковав два маленьких чемодана, он выехал в Англию в качестве туриста.

Австралиец устроил Фриша на должность младшего преподавателя. Тот работал со студентами не на постоянной основе, поэтому, имея достаточно свободного времени, мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто Фриш провел несколько небольших экспериментов по обогащению урана-235 методом термодиффузии. Прогресс, однако, был невелик.

Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал по достижениям в области изучения атомов. Рассказывая в своей статье о расщеплении ядра, Отто Фриш повторял общепринятое на тот момент мнение: если однажды и удастся осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то с учетом того, что в ней должны использоваться медленные нейтроны, взорвать атомную бомбу будет практически невозможно. Но, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент заключается в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывает быстрые нейтроны, имеющие определенную «резонансную» скорость; для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Если построить цепную реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его еще до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать всё меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.