Атомный проект. История сверхоружия - Антон Первушин

10 октября Карл фон Вейцзеккер посетил «мятежного барона». Именитый физик попытался втолковать изобретателю, что создание атомной бомбы – идея, далекая от реализации. Причина в следующем: эффективное поперечное сечение урана с ростом температуры уменьшается, поэтому цепная реакция постепенно затухает. Возможно, фон Арденне поверил хитрым речам. Во всяком случае вплоть до конца 1940 года он занимался лишь проектом «установки по превращению атомов», то есть циклотроном (ускорителем тяжелых частиц), в котором отчаянно нуждались немецкие физики.

В том же октябре была достроена «Вирусная лаборатория». Первый урановый реактор, установленный там, представлял собой сводчатый алюминиевый цилиндр. Диаметр и высота его были одинаковы – 1,4 метра. Его до краев заполнили оксидом урана. Слои оксида перемежались тонкими парафиновыми вставками – замедлителем. Цилиндр погрузили в воду, служившую отражателем нейтронов. Радиево-бериллиевый источник нейтронов помещался в трубке, которую опустили в центр реактора.

Однако цепная реакция не наблюдалась. Через несколько недель опыт повторили, проверив две другие схемы реактора и потратив на это 6800 килограммов оксида урана. Опять никакого результата! Так Вернер Гейзенберг доказал, что невозможно построить реактор на оксиде урана, если в качестве замедлителя брать парафин или обычную воду. Требовалась тяжелая вода, а ее-то как раз все еще недоставало.

В Лейпциге профессор Георг Дёпель повторил эксперимент с оксидом урана и парафином. Правда, все четыре слоя урана в его реакторе были отделены друг от друга еще и алюминиевыми сферами. Опять безуспешно!

Самые интересные результаты были получены в Гейдельберге, где Вальтер Боте и Арнольд Фламмерсфельд смешали в огромном чане почти 4,5 тонны оксида урана с 435 килограммами воды, а затем с большой точностью измерили размножение нейтронов и их «резонансную абсорбцию» в упомянутых веществах. Оба ученых тоже констатировали, что без тяжелой воды реактор на оксиде урана не будет работать.

После этой череды неудач инициативу перехватили военные. Не советуясь с физиками, они решили использовать в опытах не оксид урана, а металлический уран. Однако фирма «Aуэр» не располагала оборудованием для переработки оксида в чистый материал. Поэтому Николай Риль обратился за помощью во Франкфурт, к директору фирмы «Дегусса», которая как-то проделала для Риля схожую работу, превратив оксид тория в металлический торий. Оказалось, процессы восстановления урана и тория очень похожи. Даже оборудование можно было не менять. Очищенный оксид урана помещали в инертную аргоновую атмосферу, нагревали до 1100 °C и восстанавливали с помощью металлического кальция и хлорида кальция. Руководители фирмы были уверены, что получаемый ими уран будет необычайно чист, но в действительности он содержал даже больше примесей, чем исходный оксид. Тем не менее к концу 1940 года «Дегусса» изготовила 280 кг уранового порошка.

В это время лаборанты профессора Вальтера Боте радостно доложили, что эффективным замедлителем может служить не только тяжелая вода, но и графит – материал, чрезвычайно дешевый и имевшийся в изобилии. В качестве критерия была выбрана так называемая «диффузионная длина тепловых нейтронов» – расстояние между той точкой, где нейтрон стал тепловым, и той точкой, где он был поглощен ядром атома окружающего вещества. Понятно, что чем больше такое расстояние, тем лучше для течения цепной реакции. Как показал опыт, ловко поставленный Боте, диффузионная длина тепловых нейтронов в углероде (графит является кристаллической модификацией углерода) составляла 61 сантиметр. Если же очистить графит еще больше, показатель возрастет до 70 сантиметров. Прекрасно! Военные немедленно обратились к фирме «Сименс» с просьбой о поставках чистейшего графита.

В январе 1941 года там же, в Гейдельберге, опыт был повторен. Итог принес разочарование. Хотя образец был изготовлен из чистейшего электрографита фирмы «Сименс», приборы показывали всего 35 сантиметров. Следовательно, графит в замедлители не годится. Мнению Вальтера Боте доверяли, поэтому опыты с графитом прекратились. Только в 1945 году ошибка была обнаружена. Вероятно, причиной неудачи стали примеси азота, попавшего в графит из воздуха.

Отныне работа над немецким урановым проектом резко замедлилась. Большинство историков, изучавших отчеты о немецких ядерных исследованиях, признают ошибку профессора Боте роковой. Кстати, если бы в 1940 году Паулю Хартеку дали провести полноценный опыт с сухим льдом, он измерил бы абсорбцию нейтронов в углероде, и коллеги избежали бы ошибок.

Впрочем, такой же промах допустили и ведущие французские физики Ханс фон Халбан и Лев Коварски, работавшие в Кавендишской лаборатории. Они тоже решили, что графит – плохой замедлитель, и сосредоточили свои усилия на разработке реактора с тяжелой водой. Но когда в 1942 году американским ученым удалось построить и запустить первый в мире урановый реактор, они использовали в качестве замедлителя именно графит.

Итак, немецкие физики, нерадиво поставив важнейший эксперимент, теперь терпеливо дожидались, когда же на далеком норвежском заводе произведут нужное количество тяжелой воды. С инспекцией в Рьюкан направили доктора Карла Вирца. Тот обязался узнать, можно ли увеличить ее выпуск. До того фирма «Норск гидро» обслуживала лишь научные лаборатории, а для их нужд требовались не тонны, а килограммы или даже граммы тяжелой воды. Вирц сообщил, что производство здесь крайне нерентабельно, что на изготовление одного грамма здесь тратят 100 киловатт-часов электроэнергии, то есть 100 рейхсмарок по ценам того времени. Тонны тяжелой воды станут золотыми в буквальном смысле слова. Такая экономика резко расхолаживала даже самых горячих энтузиастов.

Если бы у немецких физиков было достаточно обогащенного урана, то замедлителем в реакторе могла бы стать обыкновенная вода. Но в начале мрачного 1941 года Пауль Хартек признал свое поражение: разделить изотопы урана у него не получилось.

В апреле 1941 года состоялось очередное совещание ведущих ядерных физиков Германии. По итогам Пауль Хартек написал в докладной записке, направленной им в Управление вооружений сухопутных войск:

Перед нами стоят две проблемы.

1. Производство тяжелой воды.

2. Разделение изотопов. <…>

Первая более актуальна, так как, судя по имеющимся данным, при наличии тяжелой воды машина будет работать и без обогащения изотопов урана. Кроме того, изготавливать тяжелую воду все же проще и дешевле, чем обогащать изотопы U-235.

Тем не менее ученые не отказались от идеи разработать эффективную методику разделения изотопов. Лейпцигский физик Эрих Багге придумал для этого совершенно новый способ, который назвал «изотопным шлюзом». Нужно получить узкий «молекулярный луч», состоящий из беспорядочно перемешанных изотопов, и пропустить его сквозь систему из двух вращающихся конусовидных заслонок-бленд. Через определенное время молекулы в «луче» перегруппируются: тяжелые отстанут от более легких. Скорость вращения бленд подбирается так, чтобы «пакет» легких изотопов успел проскочить вперед, в отстойник, а остальные – нет. Эту идею приняли, но Багге понадобился в Париже, и реализация его проекта была отложена на целый год.

Тем временем не покладая рук работал и невольный конкурент Багге – доктор Вильгельм Грот из Гамбурга. Он создавал газовую центрифугу для обогащения изотопов из гексафторида урана по схеме, почерпнутой в американских научных журналах. Такой способ разделения изотопов кажется самым наглядным, ведь центрифуга сортирует атомы разных масс за счет центробежной силы. В начале августа 1941 года Грот провел переговоры с фирмой «Аншуэтц» из Киля. Через неделю фирма получила заказ на строительство опытного образца центрифуги. 22 октября ее чертежи были готовы. Специалисты закупили электродвигатель, развивавший скорость до 60 000 оборотов в минуту. А вот другие фирмы, с которыми пришлось иметь дело, оказались менее расторопными. Так, ротор для центрифуги Вильгельм Грот хотел изготовить из очень прочного стального сплава. Он обратился на завод Круппа, но там просили подождать месяцев восемь. Пришлось обойтись сплавом из легких металлов, благо в Ганновере его выплавили к середине декабря. Планировалось, что уже в феврале 1942 года центрифуга заработает. «Ежедневно она способна выпускать около двух килограммов гексафторида урана, чей изотоп U-235 будет обогащен на 7 процентов», – многообещающе писал Грот в своем предварительном отчете.

Кроме того, руководители атомного проекта обратились к мюнхенскому профессору Карлу Клузиусу (он-то и разработал метод «термодиффузии», о котором мы говорили выше). Его спросили, можно ли заменить едкий и капризный гексафторид урана каким-либо другим летучим соединением. Физик мог порекомендовать лишь пентахлорид урана, который, однако, обладал свойствами, еще более нетерпимыми для промышленного использования. Безжалостно отринув прежние прожекты, Карл Клузиус тем не менее сумел обнадежить военных: «При нынешнем уровне наших знаний о летучих урановых соединениях следует рассчитывать на серьезный успех лишь в том случае, если мы откажемся от газообразных соединений, заменив их жидкими». Причем профессор сам вызвался разработать новый метод диффузии изотопов.