Откуда вообще взялась идея создавать атомный реактор или, как изначально называли такие устройства, «урановый котел»? До той поры ученые не встречали в природе цепных реакций деления урана, но выброс огромной энергии был настолько соблазнителен, что они сами себе и поставили задачу – искусственно создать условия, при которых такой процесс станет возможен. Если реакция будет именно цепной – надо только суметь: а) начать ее и б) создать условия, при которой она станет неизбежна. Всего-то делов!..
Коротко, но в достаточном объеме разобравшись с процессами, происходящими в ядрах атома урана после того, как «к ним в гости» заявляется хорошо разогнанный нейтрон, мы теперь вполне способны рассмотреть и понять, как рождались первые атомные реакторы, как эволюционировало их развитие и как мы дошли до атомной жизни такой, какой ее видим сейчас.
После того, как Нильс Бор доказал, что деление урана идет именно в изотопе уран-235, ребром встал вопрос о замедлителе. Нейтроны «второго» и последующих поколений должны быть медленными – быстрые «съест» уран-238, цепная реакция из-за этого просто затухнет. Есть всего два вида материала, оптимально исполняющие роль такого замедлителя – чистый графит и так называемая «тяжелая вода».
Что такое тяжелая вода и чем она отличается от легкой?
Атомы многих химических элементов позволяют себе всякие вольности с количеством нейтронов, входящих в состав их ядер, выходя из рамок стандарта: то «выгонят» несколько прочь, то затащат в гости «лишних». Любимый всеми нами уран (правда ведь?..) – классический пример такого поведения. Наиболее стабилен уран-238, в ядре которого 92 протона и 146 нейтронов, такая теплая компания способна жить в мире и согласии друг с другом тысячи лет. Но в природном уране всегда имеется 0,7% «диссидентов» — атомов урана-235, в ядрах которых на 3 нейтрона меньше при том же количестве протонов.
Протоны, содержащиеся в ядре атома, определяют его химические свойства, количество нейтронов на это никак не влияет. Именно по этой причине ученые-химики в деле обогащения урана по его изотопу-235 помочь ничем не могут. Изотопы отличаются друг от друга только с точки зрения физики, причем не только ядерной или там физики элементарных частиц, все брутальнее. Больше нейтронов – больше вес, больше нейтронов – больше размер, и именно на этом построены такие непростые методы, как диффузионное обогащение и обогащение при помощи центрифуг.
Впрочем, отвлеклись. Давайте снова припомним школьные годы чудесные. Помните, как выглядит атом водорода, элемента №1 в таблице Менделеева? До предела просто: вокруг одного-единственного протона по орбите носится не менее одинокий электрон. Унылая картина, сто лет одиночества… Но самые предприимчивые протоны, чтобы не скучать, умудряются найти себе компанию – нейтрон, а особо изощренные протоны умудряются даже соображать на троих, присоседивая к себе сразу два нейтрона. Для таких неугомонных деятелей физики придумали даже отдельные названия – дейтерий и тритий соответственно.
Изотопы водорода, Фото: http://ovkcompany.ru/
Свободного, ни с чем не соединенного водорода на Земле практически нет, так что, когда мы говорим о нем, волей не волей мы начинаем рассуждать о воде – самом распространенном соединении водорода в условиях, сложившихся на нашей планете. Химическую формулу воды наверняка могут сказать наизусть даже самые закоренелые лирики – «ащ два о», Н2О. Протон и нейтрон весят примерно одинаково, потому молекула воды, в которой вместо водорода находится дейтерий – чуточку тяжелее, отсюда и название. Таких изотопов чрезвычайно мало, но они имеются в ничтожных количествах в любой воде – даже в той, которую мы с вами пьем из бутылок или кипятим в чайнике. Но собрать этот мизер во что-то существенное по количеству технически очень непростая задача, а уж при технологиях, существовавших в конце 30-х годов минувшего века и подавно. Собственно говоря, на тот момент в Европе существовал ровно один завод, производивший такую экзотику. Располагался он в Норвегии и объем продукции был просто колоссален – 10 литров в месяц. Чтобы была понятна ирония: даже для экспериментальных реакторов тяжелой воды нужны тонны.
Лиза Мейтнер
Почему мы так подробно рассказываем о тяжелой воде? Как только Лиза Мейтнер и Отто Фриш провели и опубликовали свои расчеты о делении ядер урана под действием удара нейтрона, стало очевидно, что при этом процессе выделяется какое-то просто ураганное количество энергии, в тысячи раз большее, чем при любой химической реакции. Если научиться делать реакцию деления цепной, да еще и происходящей в приличном количестве урана, можно получить бомбу невиданной, фантастической мощности. Журналистов, имевших не самое плохое физическое образование, в те времена было достаточно, чтобы превратить расчеты Мейтнер и Фиша, да еще и тут же подтвержденные экспериментами, в научно-техническую сенсацию всемирного масштаба. Сенсация была вполне себе «жареной», поскольку несколько «технических проблемок», которые предстояло решить для овладения энергией ядра урана, были невероятно сложны. Но уже тогда находились те, кто легко закрывал глаза на такие «пустяки». Лизу Мейтнер стали называть «матерью атомной бомбы», Голливуд забабахал фильм, в котором Лиза чуть ли не в дамской сумочке убегала из Берлина в неведомые дали… Та самая Лиза Мейтнер, которая в реальной жизни отказалась от участия в разработке атомной бомбы, послав всех зазывал со словами:
«Я ни при каких условиях не буду принимать участия в потенциальном убийстве миллионов людей» / Лиза Мейтнер
Но зерно в журналисткой сенсации имелось: страна, первой покорившая ядро урана, становилась самой могущественной в мире в военном отношении. Приз для того предвоенного, грозового времени – сами понимаете, поистине уникальный. Урановая бомба могла стать оружием, позволяющим выиграть любую войну с любым противником.
Тридцатые годы, Германия
Говорим «война» — подразумеваем Германию. Так и было. Немецкие физики первыми поняли, какие открываются перспективы. Немецкие физики первыми поняли, кто способен обеспечит им любые объемы финансирования исследовательской работы. Соответствующий доклад лег на стол министерства обороны, и военные взяли проект под свое крыло. Весьма быстро было основано “Урановое сообщество” — объединение физиков-атомщиков, неформальное главенство в котором сразу перешло к Вернеру Гейзенбергу. Лучший из остававшихся на тот момент в фатерлянде физиков выразил готовность потрудиться на благо обновленной родины. Молодой, невероятно одаренный ученый, к тому времени обретший заслуженную всемирную славу как один из основоположников квантовой физики, Нобелевский лауреат возглавил немецкий урановый проект. Ученые в других странах отчетливо поняли – мир реально встал на грань планетарной катастрофы. Если работа под руководством Гейзенберга будет успешной — режим Адольфа Гитлера станет несокрушим. Не было ни малейшего сомнения в том, что Гитлер, не дрогнув, применит атомную бомбу против любого противника, ни на секунду не задумавшись о сотнях тысяч жертв среди мирного населения. Даже сейчас страшно думать, во что могла бы превратиться Великая Отечественная война, будь успехи людей Гейзенберга достаточно стремительными…
Вернер Гейзенберг
Не простая, во многом противоречивая фигура. За его согласие работать на гитлеровский режим его, скажем мягко, подвергли самому жесткому остракизму физики всего мира. Слов по этому поводу сказано огромное количество, но они остаются словами. Хотел ли Гейзенберг на самом деле создать супер-бомбу для Гитлера? В искренности такого намерения Гейзенберга на все 100% был убежден его бывший учитель Нильс Бор, в этом были уверены многие ученые, которые вынуждены были покинуть ставшую нацистской Германию. Сам же Гейзенберг в своих мемуарах писал нечто совсем иное: по его словам, он сознательно использовал атомный проект для того, чтобы добиться максимально большого благоприятствования большой науке со стороны режима, чтобы обеспечить ученых достойным финансированием, помочь избежать мобилизации. По словам Гейзенберга, атомный проект стал всего лишь некой операцией прикрытия, имитацией – и не более того. Кому верить?
Нам кажется – только фактам. В мемуарах полно эмоций, а факты им не подвержены. Фактов этих настолько большое количество, что их полный анализ потребует отдельной статьи, потому в этот раз предлагаем остановиться на главных из них. Гейзенберг в качестве замедлителя сделал ставку на тяжелую воду. Сделал – и проиграл, едва не погибнув сам при очередном испытании очередного экспериментального реактора. Это был реактор L-IV – металлическая сфера диаметром 80 см и весом почти в тонну, содержащая в себе два концентрических слоя порошкообразного урана, разделенных равным по весу слоем тяжелой воды. Даже из описания видно: ну, просто неудобно, намного комфортнее работать с твердым графитом!.. Но, по расчетам Гейзенберга, оставалось только вставить внутрь этой сферы радиево-бериллиевый инициатор нейтронов – и внутри сферы должна была начаться вожделенная цепная реакция деления ядер урана. Ну, или на языке цифр: вторичных нейтронов должно было стать на 13% больше, чем нейтронов «пусковых».
Реакция и началась. Химическая – порошка урана и воды. Сферу хранили в бассейне, потому струйки водорода, вырывавшиеся из нее, заметили сразу. Сферу быстренько вытащили из воды и не придумали ничего лучше, как открыть впускной клапан – надо было ведь восстановить орднунг. В сферу попал воздух, мгновенно доказав научные изыскания химиков – они говорили о том, что порошкообразный уран пирофорен, склонен к самовозгоранию при контакте с кислородом. Химики – умнички! Уран горел просто замечательно, пламенными струйками вырываясь из корпуса сферы, поджигая внешний ее слой, сделанный из алюминия. Старший ассистент Гейзенберга, герр Депель, тем не менее, изощрился прекратить пожар и опустить сферу обратно в бассейн. Прибывший по его вызову Гейзенберг, осмотрев поле сражения, заявил, что ситуация полностью взята под контроль, можно продолжать готовиться к решающему опыту. Как раз в этот момент сфера стала лихорадочно вибрировать, раздуваясь прямо на глазах. Гейзенберг и Допель успели выскочить из лаборатории только чудом. После осмотра ее руин начальник местной пожарной команды в своем рапорте написал замечательную фразу:
«Профессор Гейзенберг достиг успехов в области атомного распада»
За несколько месяцев до этого происшествия Гейзенберг делал доклад на очередном заседании Уранового сообщества, в котором сделал вывод о том, что создание урановой бомбы – решаемая задача. Тот самый Гейзенберг, который одобрил конструкцию реактора и саму схему опыта, грешившую ошибками по технике безопасности на уровне студента-первокурсника. Но и это не все. Перепроверив выводы Нильса Бора о том, что главный участник цепной реакции деления – изотоп урана-235, Гейзенберг практически не приложил никаких усилий по разработке технологии обогащения. Подчиненные попытались реализовать метод термодиффузии, но успеха не добились. Гейзенберг просто принял это к сведению, не только не предложив ничего взамен, но даже не создав рабочую группу, которая занялась бы конкретно этой проблемой. В результате к началу 1943 года военные Германии практически перестали обращать внимание на урановый проект, сделав ставку на ракеты фон Брауна.
Одна ошибка даже у такого выдающегося ученого, каким, без сомнения, был Гейзенберг, конечно, возможна. Но можно ли приписать нелепой случайности буквально нагромождение ошибок во всем немецком атомном проекте? Делайте выводы самостоятельно, уважаемые читатели. Если интересно – мы с удовольствием вернемся к этой теме, чтобы изложить ее более подробно. Пока остановимся на основном: не смотря (или – благодаря, это кому как нравится) на наличие в атомном проекте нацистов Вернера Гейзенберга, не смотря на отдельные успехи, этот проект не состоялся. Атомный реактор с тяжелой водой в качестве замедлителя оказался тупиком для немецких физиков.
Манхэттенский проект, США
Первый реактор был создан в США, это общеизвестный факт. Причин для этого было более, чем предостаточно. Проект S1, который привычнее звучит как «Манхэттенский» имел колоссальное финансирование – не менее 500 миллионов долларов из бюджета Пентагона, не считая «гражданских» расходов на оборудование для многочисленных опытов и экспериментов. Это – довоенные доллары, когда тройская унция золота стоила 35 американских денежных знаков, сейчас эта унция стоит около 1’100 долларов. К «прочим» расходам относились земельные участки, переданные в распоряжение военных и ученых, финансирование исследовательских работ частных компаний из государственного бюджета и многое другое, исследователи этого вопроса склоняются к тому, что общие расходы составили не менее 2 миллиардов тех самых, довоенных долларов. Но финансирование, при всей его важности, было не самым главным критерием.
Появление атомного проекта и его стремительное развитие в Америке – во многом заслуга десятков физиков, вынужденных перебраться за океан из Европы, оказавшейся едва не полностью под контролем нацистской Германии. Альберт Эйнштейн, Энрико Ферми, Лео Сцилард, Эдвард Теллер, Ханс Бете, Георг Плачек, Фредерик Вайскопф, фон Нейман, Станислав Улам, Феликс Блох – для физиков каждое имя значимо и весомо. Если бы не эти эмигранты, на собственном опыте узнавшие звериную суть нацизма – как знать, как бы пошли дела.
Лео Сциллард
Часто его фамилию пишут как Силард – разные транскрипции венгерского написания Szilard – ученый из Венгрии, живший в Штатах с 1938 года, вместе с Ферми в 1939 проводил опыты по расщеплению ядер урана, подтвердивших осуществимость цепной реакции, стал инициатором всего атомного проекта Америки. Именно он летом 1939 года, скооперировавшись еще с двумя бывшими венграми – Юджином Вигнером и Эдвардом Теллером, обратился за помощью к Альберту Эйнштейну.
Альберт Эйнштейн (слева) и Лео Сциллард (справа), Фото: laprensa.hn
Помочь он просил в важном и срочном деле: достучаться до Франклина Рузвельта с опасениями о том, что Германия может первой создать атомную бомбу, а потому все новые научные открытия ученых-атомщиков должны перестать появляться в открытой прессе, поставить президента в известность о том, что немцы добрались до чешского урана. Основной посыл письма заключался в том, что, по мнению авторов, США должны приложить максимум усилия для того, чтобы опередить группу Гейзенберга в покорении энергии урана, не дать гитлеровцам первыми получить абсолютное оружие. Эйнштейн согласился помочь, и в октябре 1939 года письмо ученых добралось до адресата. Не сказать, что Рузвельт отреагировал уж очень стремительно, но жернова государственной машины пришли в движение.
Что предлагал держать в строгой тайне Лео Сцилард? Бывшие европейцы, которые прекрасно понимали, насколько опасное развитие могут получить труды Гейзенберга, и без Сцилларда понимали, что далеко не все их изыскания должны попадать в прессу. Опасения венгерского иммигранта вызывали сами янки. Да, давайте определимся с терминологией. Для журнала «Геоэнергетика» граждане США периода до вьетнамской войны – это именно янки, те самые, со страниц Жюля Верна. Предприимчивые, энергичные, сообразительные, не чурающиеся физического труда, не боящиеся временных трудностей и отсутствия комфорта. А вот дальше – да, дальше это уже американцы. Так вот, когда мы говорим о времени зарождения атомного проекта США, мы говорим именно о янки. Да, присутствие в США физиков-эмигрантов имело очень большое значение для успешного развития атомного проекта, но основная роль все равно оставалась за янки. Без их работы не были бы получены в самые сжатые сроки очень важные результаты: не был бы открыт плутоний-239, не удвоилась бы потребность в создании атомного реактора, не был бы разработан диффузионный способ обогащения урана.
Эрнест Лоуренс
Если мы говорим о физике атомного ядра, мы не можем обойти вниманием такого замечательного человека, как Эрнест Лоуренс. Изобретатель циклотрона, получивший Нобелевскую премию за создание этой «рабочей лошадки» физиков-ядерщиков, принимал самое активное участие не только в создании все более мощных приборов, но и в исследованиях атомных ядер – на практике, своими опытами подтверждая и опровергая труды теоретиков, подбрасывая им новые, неожиданные, не предсказанные ими результаты. В 1939 году, как раз вскоре после открытия деления ядер урана, Лоуренс завершил монтаж 152-х сантиметрового циклотрона. Что такое циклотрон? Ускоритель заряженных частиц. Ничего не говорит? Давайте снова без научных сложностей, наглядно. Электрически заряженная частица создает при своем движении вокруг себя магнитное поле – несется по прямой вот такой малюсенький магнитик. Если он попадет в поле магнита большого, мощного, то этот большой магнит может изменить траекторию движения. В циклотроне большой магнит устроен так, что заставляет заряженные частицы носиться по кругу. В определенном месте на этой траектории по частице «стреляет» еще и электрическое поле, заставляя ее двигаться чуточку быстрее. Круг – толчок, еще круг – еще толчок, скорость все выше и выше. Когда экспериментаторы считают, что набранная скорость им нравится – они размыкают круг и частица несется уже по прямой, навстречу заранее подготовленной мишени. Зачем нужен большой диаметр циклотрона? Чем больше радиус – тем большую скорость можно придать частицам без опасения того, что она начнет задевать стенки корпуса. Но тем больше требуется размер и вес большого магнита. Магнит 152-х сантиметрового циклотрона весит 200 тонн, но Лоуренс и не думал останавливаться: сразу после сооружения этого устройства он приступил к проектированию циклотронов диаметрами 300 см (для него нужен магнит массой 2’000 тонн) и 467 см (магнит – 5’000 тонн). Но и 152-см циклотрона было достаточно, чтобы на практике перепроверить расчеты Мейнтнер и Фирша, а заодно посмотреть, не таит ли в себе уран еще какие-то интересные особенности. Эту работу взял на себя еще один янки – Эдвин Макмиллан, который к тому времени уже несколько лет работал на различных моделях циклотронов.
Циклотрон, Рис.: http://dic.academic.ru
Эдвин Макмиллан
Разгоняя нейтроны и направляя их на ядра урана-239, Макмиллан получил не один, а два разных результата. Основная масса ядер принимала в себя нейтрон, превращаясь в изотоп урана-239, в ядре которого все те же 92 протона и 147 нейтронов. Изотоп получался нестабильным – через примерно 23 минуты он распадался, но куда интереснее оказалось то, что в результате бомбардировки получалось и еще одно вещество, период полураспада которого равнялся приблизительно двум дням. Что это за чудо? Научное образование, которое получил Эдвин, было великолепным – он сам, без поддержки теоретиков догадался, что имеет дело с новым химическим элементом, с результатом бета-распада урана-239. Снова непонятный термин, но, вроде бы, уже последний. Бета-распад ядра урана-239 – это некое сумасшествие одного из его нейтронов. С криком «Хочу быть дворянкой столбовою!!!» нейтрон исторгает из себя … электрон, превращаясь в протон. То ли скука от необходимости сохранять нейтралитет, то ли зависть к важности роли протона – слабо понятно, хотя и неслабо изучено (надеюсь, что те из читателей, кто имеет приличное физическое образование, понимают, что слово «слабо» тут оказалось не случайно). В результате – таки да, таки действительно новый химический элемент, в ядрe которого 93 протона и 146 нейтронов. Макмиллан как ученый был весьма корректен: он не стал кричать об открытии первого в истории искусственного элемента, не стал придумывать ему название, а пригласил проверить свои результаты химика из группы Энрико Ферми – Эмилио Сегре. Но Сегре почему-то решил, что полученный Макмилланом элемент должен обладать теми же химически свойствами, что и рений и – не обнаружил этому доказательств, о чем и опубликовал в журнале Physical Rewiev статью с говорящим названием «Поиск трансурановых элементов не увенчался успехом».
Но Макмиллан, повторим, был не американцем, а янки и поверить, что он ошибся, не захотел. Договорившись с Лоуренсом и взяв в помощники на этот раз Филиппа Абельсона, Макмиллан начал серию экспериментов уже на циклотроне-152. Раз за разом повторяя опыт, Макмиллан обеспечил Абельсону достаточное количество «вещества №2», чтобы тот смог досконально проверить его химические свойста. Нет, у янки ошибок не было – это был действительно «элемент-93», и вот только теперь Макмиллан с чистой совестью дал ему заранее уже придуманное название – нептуний.
15 июля 1940 года результаты экспериментов Макмиллана и Абельсона были опубликованы все в том же Physical Rewiev. И Макмиллан тут же получил закономерные вопросы от коллег: если период полураспада нептуния составляет 2,3 дня, то во что он, любезный, превращается? Гипотеза у него уже имелась: он предполагал, что и у нептуния один из нейтронов слабенько сходит с ума, снова происходит бета-распад, результатом которого становится элемент-94, в ядре которого уже 94 протона и 145 нейтронов. Но гипотеза – это всего лишь предположение, и Макмиллан стал, как и полагается настоящему янки, не говорить, а действовать. Однако новая серия экспериментов не была им завершена: в ноябре 1940 года его откомандировали в Массачусетский технологический институт: срочно потребовалась его помощь в разработке бортовой РЛС для бомбардировщиков. Эксперименты были осуществлены ассистентом Макмиллана Гленом Сиборгом в феврале 1941 года, но их результаты в научной литературе появились только спустя пять лет, в 1946 году Сцилард сумел добиться своего: все новые работы физиков-атомщиков получили гриф «секретно». Именно по этой причине открытие плутония-239 было «отложено» на целых пять лет. Макмиллан оказался совершенно прав со своей гипотезой:
Узнаете? Да, это именно он – оружейный плутоний.
Оружейный плутоний, изотоп 239, 94 протона и 145 нейтронов. Давайте самостоятельно сравним его с изотопом урана-235 – тем самым, который так легко расщепляется и обеспечивает цепную реакцию деления. Уран-235 – это 92 протона и 143 нейтрона. Протонов там и там – четное количество, нейтронов там и там – нечетное. При этом число одноименно заряженных частиц у плутония-239 еще больше – значит, расщепляться он будет даже проще, чем уран-235. Первым физиком-теоретиком, сделавшим такое предположение, подкрепив его серьезными физическими выкладками, стал опять же американец, янки – Льюис Тернер. Подготовленная им статья заканчивалась совершенно логичным выводом:
плутоний-239 является идеальным ядерным топливом, которое можно использовать для получения цепной реакции деления
При этом плутоний-239 – самостоятельный химический элемент, отделить который от исходного урана-238 значительно проще, чем изотоп урана-235. Вот только статья эта появилась в печати несколько лет спустя – Тернеру хватило осторожности для того, чтобы посоветоваться с Сцилардом. Венгерский иммигрант сумел добиться своей цели: все работы по новейшим направлениям ядерной физики, производимые в США, с лета 1940 года стали секретными, отчеты о них больше не попадали в открытые источники. Ирония судьбы заключается в том, что именно этот факт стал одной из причин резкой активизации работ по ядерной физике в далеком СССР. Но об этом будет отдельная статья – тема того явно заслуживает.
Итогом работ Макмиллана и Тернера стало то, что у янки наметился некий план работы. Необходимо было создать ядерный реактор, в котором можно было синтезировать достаточное количество плутония-239, который химическими методами отделить от исходного урана-238. В качестве замедлителя янки сделали ставку на графит, поскольку имели хороший опыт работы с ним, ведь в Штатах было достаточно предприятий, выпускавших его для нужд электротехники. Да, конечно, нужно было обеспечить очень высокую чистоту этого элемента, но это было быстрее, проще и менее затратно, нежели создание «с нуля» завода по производству тяжелой воды. Американский практицизм стал залогом успеха группы Энрико Ферми, которой была поручена практическая работа по созданию реактора. Но синхронно с этими событиями произошло и еще одно, тихое и незаметное, поскольку это было «всего лишь» теория, не подтвержденная ни одним экспериментом.
Отто Фриш
Над вопросом «возможно ли создание урановой бомбы» продолжал размышлять и один из открывателей реакции деления ядра урана – Отто Фриш, перебравшийся из Дании в Англию. Ответ на этот вопрос зависел во многом от того, сколько же нужно урана, чтобы в нем началась цепная реакция деления? Если речь идет о десятках тонн – ни о какой бомбе и речи быть не может. Но разве могло быть иначе – ведь быстрые вторичные нейтроны «глотал» уран-238, реакция должна была затухать! Чтобы этого избежать, нужны действительно тонны природного урана, никак иначе.
Именно Фриш оказался человеком, который увидел, в чем ошибка всех его коллег: они рассматривали работу с ураном природным, в котором изотопа урана-235, как известно, всего 0,7%. Но уже было выяснено, что уран-235 начинает делиться как от медленных, так и от быстрых нейтронов. Следующий шаг был совершенно логичным: если из урана убрать весь уран-238, оставить только уран-235 — цепная реакция обеспечивается легко и непринужденно, поскольку тогда “срабатывают” все нейтроны второго и последующих поколений. Возможно, эта идея осталась бы только идеей, но судьба Фриша как эмигранта, свела его в Бирмингеме с земляком, который покинул Германию еще в 1933 году. К моменту знакомства с Фришем Рудольф Пайерлс был профессором математики в Бирмингенском университете и уже несколько лет плотно занимался новинками ядерной физики. Вот он-то и помог Фришу с расчетами, результаты которых потрясли обоих ученых: критическая масса урана-235, которой было достаточно для создания атомной бомбы, составляла всего несколько килограммов!
Для тех, кого интересуют дела не военные, а гражданские, кому интересно появление и развитие АЭС, эти расчеты и результаты тоже важны. Если бы не Фриш и Пайерлс, работы по обогащению урана могли быть и прекращены, вариант с плутонием-239, экспериментально подтвержденный янки, мог оказаться единственным. Проверить гипотезу двух эмигрантов технически было не так уж сложно, поскольку урана-235 требовалось действительно весьма небольшое количество. Корпоративная помощь английских ученых пришла на выручку: летом 1940 начались соответствующие эксперименты. Ошибка была: урана-235 требовалось почти 100 кг, но тут же Пайлерс смог найти выход из ситуации. Образец урана-235 надлежало “обернуть” эффективным отражателем нейтронов, который не даст свободным нейтронам покидать активную зону, тем самым заставив их делить ядра. Да, технически и практически создание урановой бомбы — реализуемо! Таким был окончательный вывод англичан, что впоследствии подстегнуло усилия янки по разработке технологии обогащения природного урана изотопом 235.
Впрочем, англичане и сами не стали сидеть, сложа руки. Несмотря на интенсивные бомбардировки острова, которые в то время активно вели люфтваффе, англичане нашли возможность провести серию экспериментов, показавших, что наиболее перспективным способом обогащения урана является газодиффузионный метод. Мало того, весной 1941 года компания Metropolitan-Vickers получила заказ от министерства обороны Великобритании на строительство опытно-промышленной установки из 20 «сеточек». Поскольку журнал «Геоэнергетика» в ближайшее время намерена рассказать и о том, как шли работы над созданием реактора в СССР, предлагаем сделать небольшую «зарубочку в памяти»: именно в это время к работе над газодиффузионным методом обогащения англичане допустили еще одного физика, эмигрировавшего из Германии. Выпускник Лейпцигского университета, специалист по квантовой механике, доктор физики, прошедший в Англии через лагерь для интернированных лиц как гражданин враждебного государства, но сумевший доказать свою лояльность приютившей его стране. Его знания и таланты оказались весьма востребованы, и он не единожды доказал, что способен справляться с самыми сложными научными проблемами. Звали этого человека Клаус Фукс.
Воевавшая страна находила финансирование и на эксперименты по строительству реактора, при этом английские физики в качестве замедлителя сделали ставку на тяжелую воду. Успехи были, но становилось очевидно, что усилий только министерства обороны не хватит, нужна поддержка правительства. 15 июля 1941 года ученые выступили с докладом перед правительственными сотрудниками, в котором уверяли, что способны создать атомную бомбу уже к 1943 году, но для этого нужна государственная поддержка, финансирование и активное сотрудничество с янки. Заседание было настолько секретным, что копию доклада на Лубянке смогли прочитать только в сентябре 1941 – настолько серьезным был подход со стороны спецслужб Великобритании!..
40-е годы, Чикаго (США), Фото: loc.gov
А по ту сторону океана активно приступили к изучению свойств плутония-239, и к лету 1941 однозначно установили, что этот элемент делится в два раза активнее ядер урана-235. Если бы не англичане, американцы могли бы сосредоточиться только на получении плутония, и будущая атомная энергетика родилась бы значительно позже. Только получив сведения о том, что критическая масса урана-235 для создания атомной бомбы составляет всего 11 кг, янки стали вкладываться в газовую диффузию. После получения официальной копии доклада британских ученых, которое состоялось на пару недель позже, чем неофициальная копия добралась до Москвы, янки действовали стремительно. Комитет S-1 одновременно начал работы по нескольким направлениям, прямо-таки наполеоновскими методами. Газовая диффузия и сепарация на циклотроне Лоуренса, попытки работать с центрифугами, работы по получению химически чистого графита в промышленных масштабах и начало строительства завода по производству тяжелой воды в Канаде, работы по получению металлического урана и производству его оксидов, группа Ферми приступила к конструированию первого реактора – и все это одновременно. Тогда же произошло еще одно знаковое событие: в состав комитета S-1 получил допуск Роберт Оппенгеймер. Да, именно допуск, ФБР проверяло благонадежность Оппенгеймера более полугода, выясняя, насколько тесно он связан с коммунистической партией США. Еще раз, связи не с нацистами или фашистами, с которыми США находились в состоянии войны, а связи с партией, единомышленники которой руководили государством-союзником.
Организаторские способности Оппенгеймера можно описывать только в восхитительной форме. К примеру, уже в 1941 году, когда еще не успели научиться обогащать уран, когда плутоний-239 получали на циклотроне в количестве сотых долей грамма, когда еще не работал ни один реактор, Оппенгеймер «дал добро» на начало работ группы Эдварда Теллера, приступившей к обоснованию возможности создания термоядерной бомбы. Но Оппенгеймер был именно научным руководителем, а непосредственно всей организацией стремительно развивавшейся структуры американского атомного проекта 23 сентября 1941 года было поручено заниматься бригадному генералу Лесли Гровсу. Человек, которого явно недоставало слишком вольно чувствовавшим себя физиком. Человек, которого много позже Оппенгеймер вспоминал следующими словами:
«Последняя сволочь, но одновременно и один из наиболее умелых людей, которых я встречал в жизни».
Проект S-1 организационно подчинили вновь сформированному Манхэттенскому инженерному округу армии США, и постепенно янки, и мы вслед за ними, привыкли называть этот проект именно Манхэттенским.
Наступил 1942 год, США
Манхэттенкий проект разворачивался с каждым днем, сосредоточившись на обеспечении работы группы Энрико Ферми, трудившийся в Чикагском университете. Сюда, на бывшее поле для сквоша, везли уран. 33 тонны UO2 и 3,7 тонны U3O8, 350 тонн химически чистого графита. Физики, конструировавшие реактор, по вечерам смахивали на шахтеров, возвращающихся со смены. Графит пилили на блоки на деревообрабатывающих станках в помещениях стадиона, деревом укрепляли слои уложенных графитовых блоков. Черный цвет имела еще и руда урана, которую пока не обогащали – потому лучевой болезнью никто и не страдал, включая не только самих физиков, но и студентов из состава бейсбольной команды, которые подрабатывали на перетаскивании и укладке всех этих тяжестей. Блоки графита каждого второго слоя имели полости, куда вставлялось ядерное топливо, образуя кубическую решетку с шагом в 21 см. На заводе GoodYear, который в то время изготавливал оболочки для аэростатов, сделали защитную пленку, чтобы уменьшить доступ к активной зоне реактора кислорода в составе обычного воздуха, который теоретически мог поглощать свободные нейтроны. Заказ был секретным и долгое время служил темой для анекдотов: кубическая, квадратная форма оболочки не могла ею не быть.
Первый в мире ядерный реактор был «медленным»: он был построен Энрико Ферми под западными трибунами футбольного поля Чикагского университета из графитовых и урановых блоков, Рис.: http://academcity.org
Да, конечно, Энрико Ферми, руководивший строительством первого в мире реактора, отнюдь не американец, но американцами-янки были все остальные участники этой работы. Графит – на станке, уран – гидравлическим прессом из порошка превращали в бруски, таскали все просто руками. Вот описание системы управления. Три вида стержней из кадмия и бористой стали, поглощавшие нейтроны:
- регулирующие, управляемые вручную – лебедкой!;
- стержень-zip – контрольный, после извлечения которого, по расчетам Ферми, должна была начаться цепная реакция деления;
- и стержень аварийной защиты, который висел над этой поленницей на веревке, чтобы в случае ЧП ее можно было … перерубить топором.
Высота Чикагской поленницы составила почти 6 метров, вот там и болтался этот стержень, возле которого в течение всего эксперимента дежурил сотрудник с топором наперевес. Степень риска, степень азарта и увлеченности всех участников эксперимента оцените сами. На наш взгляд, тогда американцы были янки, рисковавшими здоровьем и жизнями ради проекта государственной важности. Давно это было…
В 2 часа дня 2 декабря 1942 года Ферми приказал извлечь из реактора все регулирующие стержни. Лебедки скрипнули, 42 наблюдателя впились глазами в счетчики нейтронов. Новый приказ – и стержень-зип вытащили на 2,5 метра, мужик с топором нервно плюнул на ладони. Счетчики показали, что реакция стала самоподдерживающейся: нейтронов второго поколения стало ровно столько же, сколько нейтронов-инициаторов. Еще один приказ, и стержень-зип подняли еще на 30 см. Щелканье счетчиков превратилось в равномерный гул. Кроме него, в огромном помещении – никаких звуков. Через пять минут Ферми поднял руку: «Реактор стал критическим». Интенсивность высвобождения нейтронов удваивалась каждые две минуты. Полчаса в таком режиме – и реактор успел бы выработать около 1’000’000 киловатт энергии, успев бы убить радиацией всех собравшихся, прежде чем расплавиться. Ферми остановил эксперимент через 4,5 минуты.
Таким был день рождения первого в мире реактора. Графитового, на необогащенном уране, без системы охлаждения, зато в комплекте с мужиком с топором. Но уже строились обогатительные комплексы на «сеточках», в Канаде продолжалось строительство завода по производству тяжелой воды, геологи уже приступили к поиску новых месторождений, а в далеком СССР 28 сентября 1942 года было подписано распоряжение Государственного Комитета Обороны № 2352 «Об организации работ по урану». Медленно, но верно цивилизация подходила к началу эры атомной энергетики.
Фото: br.de