Семь элементов, которые изменили мир - Джон Браун

Ко времени моего приезда в Оксфорд Кавендишская лаборатория во многом утратила репутацию флагмана ядерной физики. Приятным исключением было присутствие Отто Фриша, физика-ядерщика, сыгравшего заметную роль в осуществлении проекта «Манхэттен» – именно там создали атомную бомбу, сброшенную на Хиросиму. Теоретическую основу для ее изготовления дал как раз Фриш, объяснив необычные результаты некоего эксперимента.

В 1938 г. Фриш проводил Рождество в Швеции со своей тетей, известным физиком Лизой Мейтнер. Мейтнер работала в Институте химии кайзера Вильгельма в Далеме (Германия), но эмигрировала в Швецию, опасаясь преследования нацистов. Ее немецкие коллеги Отто Ган и Фриц Штрассман держали ее в курсе исследований и в последнем по времени письме рассказали о странном результате эксперимента. Бомбардируя нейтронами атомы урана, они среди «осколков» обнаружили намного более легкие частицы, чем ядра урана, – их вес был почти вдвое меньше [10]. Это выглядело нелогично: нейтроны не обладают достаточной энергией, чтобы отрывать такие большие куски атомов. Чтобы поразмышлять над этим загадочным результатом, племянник и тетя решили отправиться в дальнюю пешую прогулку.

Гуляя по окрестностям шведской столицы в компании Лизы Мейтнер, Фриш пришел к выводу: ядра урана крайне неустойчивы. Атомы его настолько велики, что «клей», удерживающий вместе протоны и нейтроны, способен справиться лишь с силами отталкивания положительно заряженных протонов, воздействующих друг на друга [11]. Если ядро урана поглощает направляемый на него нейтрон, то полученной энергии достаточно для дестабилизации и расщепления атома. Когда он объяснял свою идею Мейтнер, оба они остановились, присели на скамейку и начали быстро делать расчеты на листках бумаги. Вот их вывод: ядро урана напоминает «очень неустойчивую каплю, готовую разделиться при малейшем воздействии» [12]. Фриш провел несколько экспериментов для подтверждения этой гипотезы, а потом в феврале 1939 г. вместе с Мейтнер написал две статьи для журнала Nature. Он назвал феномен расщепления «делением ядра» [13].

При делении ядра выделяется огромное количество энергии. При расщеплении ядра урана образуется два меньших ядра с меньшей суммарной массой. Исчезающая масса (m), равная примерно одной пятой массы протона, преобразуется в энергию (E) в соответствии с уравнением Эйнштейна: E = mc2. Так как скорость света (с) составляет 299 792 458 м/с, даже маленькая масса производит большое количество энергии. Фриш подсчитал: расщепления одного атома урана было бы достаточно, чтобы поднять в воздух одну песчинку, которая сама содержит около сотни триллионов атомов.

Но из одного атома урана нельзя создать атомную бомбу. Взрыв в Хиросиме произошел в результате одновременного расщепления триллионов и триллионов атомов, содержавшихся в одном килограмме урана [14]. При делении одного атома урана высвобождаются нейтроны, при нужной скорости вызывающие расщепление соседних атомов. При этом высвободится еще больше нейтронов, которые, в свою очередь, вызовут расщепление еще большего количества атомов. Это вызовет неостановимую цепную реакцию. Уран в буквальном смысле – инициатор своего уничтожения.

Мейтнер и Фриш раскрыли секрет расщепления атома. В то время они не понимали, что их открытие проложит путь к созданию ядерного оружия, которое можно использовать для уничтожения сотен тысяч людей.

Но в лаборатории Мейтнер не наблюдалось никаких взрывов. Оказалось, что цепная реакция может быть устойчивой при использовании определенного типа урана, который редко встречается в природе. Обычный уран почти полностью состоит из изотопа урана-238 [15]. Однако для цепной реакции, приводящей к ядерному взрыву, необходимо обеспечить высокую концентрацию расщепляемого изотопа урана-235 – так называемый обогащенный уран [16].

Строительство нового города

Двое физиков, сотрудников Колумбийского университета (Нью-Йорк), венгр Лео Силард и итальянец Энрико Ферми, узнав об исследованиях Фриша и Мейтнер, начали собственные эксперименты по делению атомного ядра. Переехав в Университет Чикаго, они построили первый в мире ядерный реактор Чикаго Пайл-1 на площадке для игры в сквош под университетским футбольным стадионом. Это событие не осталось незамеченным советской разведкой, но при описании его на русском языке была допущена смешная неточность: советские разведчики перевели «squash court» (площадка для сквоша) как «тыквенное поле». Впрочем, место, в отличие от результатов, не имело серьезного значения. Наблюдая большое количество нейтронов, высвобождавшихся в процессе деления ядер, Силард пришел к выводу: уран в состоянии поддерживать устойчивую цепную реакцию и поэтому может использоваться для создания бомбы. Позднее он вспоминал: «Я не сомневался, что мир стоит на пороге большой беды» [17].

С началом Второй мировой войны Силард решил, что к открытию нужно срочно привлечь внимание президента Рузвельта [18]. Он написал письмо, подписанное также Альбертом Эйнштейном, в котором разъяснял возможность создания бомбы нового типа и предупреждал, что Германия может проводить исследования в том же направлении. Рузвельт согласился сформировать Консультативный комитет по урану и позднее выделил большие средства на проведение ядерных экспериментов. Наука об атомных взрывах приобретала более конкретные очертания. Меж тем актуальность задачи многократно возросла после нападения Японии на Перл-Харбор и вступления Америки в войну. Поэтому было принято решение консолидировать разрозненные ядерные исследования и сосредоточить их на достижении единственной цели – создании атомной бомбы в рамках проекта «Манхэттен».

В сентябре 1942 г. правительство США одобрило покупку более 200 квадратных километров земли вокруг городка Оук Ридж в штате Теннесси для создания Clinton Engineer Works. На предприятии как на одной из трех главных площадок реализации проекта «Манхэттен» решалась задача обогащения урана для атомной бомбы. Двумя другими площадками стали Хенфорд, где готовили другие материалы для бомбы, и Лос-Аламос, «мозговой центр» проекта. Везде установили строжайший режим секретности. Объекты не показывались ни на одной карте и обозначались кодовыми именами X, Y и Z.

Как только руководитель проекта «Манхэттен» генерал Лесли Гроувз увидел Оук Ридж, он понял: место выбрано правильно. Сельская глушь как нельзя лучше обеспечивала секретность и безопасность. Удаленность от побережья снижала риск нападения противника, а близость рек гарантировала необходимое обилие воды, а значит, гидроэлектроэнергию.

С характерной для него решительностью Гроувз провел переселение из города и его окрестностей тысячу семей, причем некоторым из них на сборы дали всего две недели. Этих людей просто поставили перед фактом. Место выбрано, и никто не должен стоять на пути создания Америкой первой атомной бомбы. Переселение – «пустяковое дело», по выражению одного служащего инженерного корпуса армии США [19].

Масштаб происходящего имел для Clinton Engineer Works первостепенное значение. В некоторые периоды здесь трудилось до 80 000 рабочих. Оук Ридж быстро стал пятым по численности населения городом штата Теннесси и имел самое большее число людей с учеными степенями на душу населения по стране. Только на строительстве цеха К-25 по переработке урана трудились 12 000 человек. Площадь его была больше, чем у любого другого построенного когда-либо сооружения. Внутри K-25 обогащался уран, переведенный в газообразное состояние и пропущенный через ряд мембран. Легкие молекулы проходили через тонкую мембрану быстрее тяжелых, поэтому процентная доля урана-235, который легче урана-238, постепенно увеличивалась [20].

США не знали, окажется ли грандиозный эксперимент удачным, но настойчиво продолжали его. Только атомная бомба, использующая колоссальную разрушительную энергию урана, давала возможность выиграть войну одним ударом. Также все понимали, что важнейшее значение имеет скорость. США опасались, что Германия может перейти в атаку и обрушить на них мощь ядерного оружия.

Мрачные перспективы оправдывали огромные затраты на проект и принудительное выселение жителей Оук Ридж. К работе в Лос-Аламосе, «мозговом центре проекта», привлекли лучшие научные умы со всего мира. Роберт Оппенгеймер, директор лаборатории в Лос-Аламосе, стал одним из первых свидетелей успеха во время испытаний бомбы «Тринити» 16 июля 1945 г. Позднее он вспоминал, что яркая вспышка атомного взрыва в пустыне в штате Нью-Мексико ассоциировалась у него со строчкой из священного индуистского текста: «Теперь я стал Смертью, разрушителем миров» [21].

Сегодня научные проблемы более разнообразны, а их решения менее очевидны. Мне это стало ясно при посещении в марте 2009 г. бывшего предприятия Clinton Engineer Works, теперь – Национальной лаборатории Оук Ридж. Квадратные промышленные здания вписаны в лесистый пейзаж штата Теннесси. Обширный внутренний двор главного корпуса дает лишь приблизительное представление об истинных размерах лаборатории. Мне показали графитовый реактор X-10, второй в мире, ныне охраняемый объект исторического наследия. Установка для обогащения урана К-25 в настоящее время размонтирована. Приоритеты исследований с тех пор значительно изменились, и именно они послужили причиной моего посещения лаборатории. Я приехал туда в качестве партнера одной частной фирмы, в то время управлявшей крупнейшим инвестиционным фондом, вкладывающим деньги в освоение возобновляемых и альтернативных источников энергии. Незадолго до того я узнал о разработанных здесь новых методах производства биотоплива из растительной массы, в частности травы и деревьев, которые никак не могут служить продуктами питания. Биотопливо может изготавливаться из сахаров, содержащихся в растительной целлюлозе. Но непродовольственная растительная масса содержит много лигнина, который образует прочные химические связи с сахарами, что сильно затрудняет их извлечение. Особый интерес исследователей вызвали тополя: у разных видов этих деревьев – разные сочетания основных природных характеристик. Исследователи изучили более 1000 разновидностей тополей в поисках качеств, которые могли бы обеспечить получение наибольшего количества сахаров [22]. США надеялись: создав экономически конкурентоспособные источники биотоплива, они ослабят свою зависимость от зарубежной нефти. Оук Ридж больше не занимается ураном, но снова работает в интересах национальной безопасности.