Цепная реакция. Неизвестная история создания атомной бомбы - Олег Фейгин

В течение всего 1940 года проводилась большая экспериментальная работа по апробации самых различных по сечению и длине труб, сделанных из различных коррозионно-стойких материалов. Одновременно всячески менялись режимы нагрева, однако несмотря ни на что эффективность установки была низкой, и за пару недель в лучшем случае выход составлял один килограмм гексафторида урана с удвоенным содержанием изотопа U-235. После многих обсуждений и совещаний в начале 1941 года был вынесен вердикт, что данный способ изотопного разделения следует считать малоэффективным.

Основное внимание стали уделять разработке альтернативных масс-спектрометрическим методам. Тогда-то еще один «советский репатриант» Александр Семенович Вайсберг и предложил использовать впервые увиденный им в Харькове «молекулярный луч», пропускаемый через систему из вращающихся экранов с узкими щелями. Поскольку более легкие изотопы имеют в луче более высокую скорость, они будут сепарироваться в накопитель при определенной скорости вращения экранов. Но мнения о перспективности этого метода разделились, и было принято компромиссное решение прорабатывать сразу несколько способов обогащения урана-235, включая следующие: масс-спектрометрический, термодиффузионный, молекулярного луча, ультрацентрифугирования, жидкостный и диффузионный.

Например, Хоутерманс склонялся к увиденному им в УФТИ методу диффузии гексафторида урана сквозь пористые стенки, через которые лучше диффундируют наиболее легкие изотопы урана; именно этот способ впоследствии и получил развитие в США и Англии. Но основное внимание уделялось изотопному обогащению урана с использованием различных конструкций ультрацентрифуг. Здесь тоже возникли определенные трудности, связанные с устойчивостью ротора при очень высокой скорости вращения, достигающей сотни тысяч оборотов в минуту.

В конце 1941 года по неясной причине произошла утечка секретной информации, и в руки британской разведки попадал отчет ведущих ядерщиков Германии, составленный для Главного имперского управления вооружений:

«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 реактор будет работать и без обогащения изотопов урана. Кроме того, изготавливать тяжелую воду все же проще и дешевле, чем обогащать изотопы U-235»[32].

Между тем в 1941 году профессор Вейцзеккер неожиданно подал патентную заявку на устройство ядерного боезапаса на основе нового трансуранового элемента № 94, позднее названного плутонием, который можно получить из урана-238. Когда об этом узнал Хоутерманс, он стал оспаривать приоритет своего коллеги, доказывая, что еще год назад докладывал на заседании «Уранового клуба», где присутствовал Вейцзеккер, о подобной разработке харьковских физиков, в которой принимал самое непосредственное участие. Хоутерманс тут же подал от себя встречную патентную заявку, где рассматривал возможность использования плутония «в качестве взрывчатого вещества». Последующий анализ вариантов устройства плутониевых бомб Вейцзеккера и Хоутерманса показал, что они детально совпадают с атомной бомбой харьковских физиков.

В августе 1941 года Хоутерманс написал статью «К вопросу о начале цепной реакции деления ядер», где он первым из немецких ученых подробно описал цепную реакцию под действием быстрых нейтронов, а также рассчитал критическую массу урана-235, то есть наименьшую массу, при которой может протекать самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Его оценки в несколько десятков килограммов полностью повторяли результат харьковских физиков, но в первую очередь Хоутерманса интересовал плутоний, использование которого делало ненужным разделение изотопов урана. Сам плутоний можно было выделять с помощью достаточно простых химических методов, и Хоутерманс предложил его использовать в качестве делящегося материала вместо урана-235. Необходимо было только запустить реактор на медленных нейтронах для наработки плутония из урана-238.

После серии очень трудных экспериментов летом 1941 года лейпцигская группа «Уранового проекта», которой непосредственно руководил Гейзенберг, а его заместителем был Вейцзеккер, наконец добилась положительного результата, наладив процесс размножения нейтронов. Урановый котел в данном случае представлял алюминиевый шар диаметром чуть менее метра с 164 литрами тяжелой воды и 142 килограммами оксида урана. Два слоя оксида разделяла тонкая алюминиевая сфера, а источник нейтронов находился в центре котла, погруженного в водный резервуар.

Именно с этим первым работающим котлом немецкого «Уранового проекта» и связаны изначальные сомнения в правдивости «официальной» историографии нацистских ядерных исследований. Дело в том, что выполненные через много лет в 50-х годах модельные опыты американских физиков однозначно показали, что в данном варианте размножение нейтронов никак не может быть зафиксировано приборами. И только когда экспериментаторы поменяли тяжелую воду на сверхчистый графит, они получили искомый положительный коэффициент размножения нейтронов для самоподдерживавшейся цепной реакции.

Когда научные журналисты ознакомили Гейзенберга с подобным очень странным, на первый взгляд, результатом, ученый только недоуменно пожал плечами. Не стал он комментировать и свою давнюю фразу: «Именно в сентябре 1941 года мы поняли, что атомную бомбу создать можно».

Часть III
Противостояние

Усилия по получению атомной энергии в больших количествах имели две различные цели: управляемое медленное освобождение энергии для промышленных нужд и создание сверхмощного взрывчатого вещества. Вторая цель была совершенно безотлагательной в тот трагический период мировой истории. Однако очень скоро ученые поняли, что наиболее быстрым способом достижения второй цели является осуществление первой. Как мы уже говорили, делению подвержены атомы плутония и урана-235, которого в природном уране лишь 0,7 %. Атомная бомба требовала огромных количеств урана-235, который очень трудно отделять. При медленном получении энергии не требуется предварительного разделения, необходимы лишь большие количества урана, и в качестве побочного продукта получается плутоний. Отсюда возникла идея «атомного котла», названного так, возможно, из-за простоты его конструкции. Это название теперь имеет лишь исторический интерес, поскольку оно вытеснено более подходящим названием «ядерный реактор». Первоначальным назначением атомного котла было не получение энергии, а производство плутония в количествах, необходимых для создания атомной бомбы.

М. Льоцци. История физики

9 августа 1945 года на трехсотметровой высоте над японским городом Нагасаки взорвалась атомная бомба «Толстяк» (Fat Man), сброшенная с американского бомбардировщика B-29. В результате взрыва возник «атомный гриб» – радиоактивный столб дыма, раскаленных частиц и пыли высотой более 20 километров.