Джим Бэгготт - Тайная история атомной бомбы
С сентября 1939 года, после начала войны, лаборатории в Бирмингеме стали главным образом заниматься крайне важными — и засекреченными — исследованиями для военных.
Работа ученых была связана с резонансным магнетроном — приспособлением, необходимым для генерации интенсивного СВЧ-излучения в наземных и бортовых самолетных радарах. Позже Ч. П. Сноу назвал эти устройства «самым ценным научным изобретением англичан, сделанным во время войны с Гитлером».
Будучи гражданами враждебного государства, Фриш и Пайерлс не должны были ничего знать об этих работах. Однако секретность проекта имела какой-то непонятный характер. Порой Олифант задавал Пайерлсу гипотетические вопросы, которые начинались со слов: «Если бы вы столкнулись со следующей проблемой…». Как позднее напишет Фриш, «Олифант знал, что Пайерлс знает, и, думаю, Пайерлс знал, что Олифант знает, что тот знает. Однако никто из них и вида не показывал».
Фриш работал со студентами не постоянно, так что, имея достаточно свободного времени, он мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто провел несколько небольших экспериментов. Бор с Уилером утверждали, что уран расщепляем главным образом благодаря изотопу U235, обладающему не очень высокой стабильностью. Фриш решил доказать это экспериментальным путем, получив данные по образцам с немного увеличенным содержанием редкого изотопа. Чтобы выделить небольшое количество урана-235, он собрал маленький аппарат, в котором использовался метод термодиффузии, изобретенный Клузиусом и Дикелем. Прогресс, однако, был крайне медленным.
Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал и осветить в нем все недавние успехи в изучении атомного ядра, чтобы это было понятно и интересно химикам. Статью Отто писал в своей съемной комнате. Не снимая пальто, он сидел, держа машинку на коленях, около газовой горелки, пытаясь хоть немного согреться: температура той зимой опускалась до —18 °C. По ночам замерзала вода в стакане.
Рассказывая о расщеплении ядра, он 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, атомную бомбу, в которой цепная реакция будет происходить, взорвать практически невозможно. «По крайней мере похожего результата мы бы достигли, если бы просто подожгли аналогичное количество пороха», — так писал он в заключительной части. Фриш вообще не верил в возможность создания атомной бомбы.
Однако, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент, по утверждению Бора и Уилера, заключалась в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывало быстрые нейтроны, имевшие определенную «резонансную» энергию, или скорость, для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Однако их использование означало, что и получаемая энергия будет накапливаться весьма медленно. Если построить реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его или даже испарит задолго до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать все меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.
Физики «Уранового общества» пришли к тому же самому мнению. Однако Фриша теперь очень интересовал ответ на вопрос: что все-таки произойдет, если использовать быстрые нейтроны? Считалось, что уран-235 расщепляется нейтронами обоих типов. Однако если в расщепляемом уране слишком много U238, то от быстрых вторичных нейтронов, испускаемых U235 при распаде, будет мало пользы: по всей видимости, эти быстрые вторичные нейтроны выйдут из реакции в силу резонансного захвата ядром урана-238. Но это препятствие легко обойти, если использовать чистый или почти чистый уран-235. Фриш без особого труда собрал маленький аппарат Клузиуса-Дикеля для отделения U235. Было понятно, что таким способом получить большие объемы чистого урана-235, например несколько тонн, невозможно. Но вдруг для цепной реакции на быстрых нейтронах окажется достаточно и гораздо меньшего количества?
Цепная реакция на быстрых нейтронах с использованием чистого урана-235 — если считать, что у атомной бомбы изначально и был какой-то секрет, то теперь он стал известен Фришу.
Отто поделился своими мыслями с Пайерлсом, который в начале июня 1939 года доработал формулу расчета критической массы материала, необходимой для поддержания цепной ядерной реакции. Составлена эта формула была французским физиком-теоретиком Франсисом Перреном. Для смеси изотопов с большим содержанием U238 Пайерлс использовал свою измененную формулу, но, поскольку счет велся на тонны, для создания оружия такой вариант не подходил.
Теперь же Фришу необходимо было проводить вычисления совсем другого порядка — с участием чистого урана-235 и не медленных, а быстрых нейтронов. Проблема заключалась в том, что никто пока не знал, какой должна быть доля U235, чтобы обеспечить успешное участие в реакции быстрых нейронов. А не знали этого ученые потому, что пока еще не удавалось получить достаточное количество урана-235 в чистом виде.
В такой ситуации оставалось только выдвигать предположения. Результаты, полученные Бором и Уилером, ясно давали понять, что ядро U235 легко расщепляется медленными нейтронами. Далее логично было предположить, что воздействие быстрых нейтронов ничуть не менее эффективно, и возможно даже, что ядро урана-235 делится при любом контакте с ними. Впоследствии Пайерлс так написал про эту гипотезу: «Судя по всему, из данных, которые получили Бор и Уилер, следовало сделать именно такой вывод: каждый нейтрон, попадающий в ядро 235-го [урана], вызывает его распад». Подобное допущение чрезвычайно упрощало расчеты. Теперь оставалось только высчитать, какое количество урана-235 необходимо для того, чтобы он легко расщеплялся быстрыми нейтронами.
Ученые подставили в формулу Пайерлса новые числа и были сражены наповал полученным результатом. О тоннах урана теперь и речи быть не могло. Критическая масса, согласно расчетам, составляла всего несколько килограммов. Для вещества с плотностью, как у урана, объем такого количества не превышал бы величины мячика для гольфа[30]. По оценкам Фриша, столько U235 можно получить за несколько недель, использовав порядка ста тысяч трубок аппаратов Клузиуса-Дикеля, подобных тому, который он собрал в бирмингемской лаборатории.
«Тут мы все переглянулись, осознав, что создать атомную бомбу все-таки возможно».
Деление быстрыми нейтронами
Физик Джозеф Ротблат, родившийся в Польше и живший в Ливерпуле, пришел примерно к такому же выводу, что и его коллеги. Прочитав об открытии деления ядра, он начал в Варшавском университете собственные эксперименты, чтобы подтвердить образование свободных нейтронов. Ротблат быстро осознал, какую угрозу несет атомная бомба. Его стали преследовать мысли о том, что нацисты могут использовать это оружие для своих черных целей: «У меня не было ни малейшего сомнения в том, что они без всяких колебаний используют любую технику, какой бы бесчеловечной ни было ее применение, если это даст им столь желанное мировое господство».
В Варшавском университете у Ротблата для проведения экспериментов на уровне атомных ядер не было практически никакого современного оборудования. Он также знал о том, что Джеймс Чедвик, ведущий ядерный физик-испытатель Британии, получивший в 1935 году Нобелевскую премию по физике за открытие нейтрона, занимается сборкой первого в Англии циклотрона. Аппарат сооружался в подвале лаборатории Ливерпульского университета, в которой работал Чедвик, а его конструкция была позаимствована у циклотронов Лоуренса. Ротблат тоже мечтал когда-нибудь построить циклотрон в Варшаве. Весной 1939 года он обратился к Чедвику с просьбой разрешить ему ненадолго присоединиться к группе последнего. Джозеф хотел понаблюдать за финальным этапом постройки циклотрона. Английский ученый ничего не имел против, и полный воодушевления Ротблат, получив скромный грант на работу за границей, отправился в свою первую поездку за пределы родной Польши. Джозеф совсем недавно женился, но все же решил не брать с собой свою молодую супругу Толу. Он думал, что разлучаются они совсем ненадолго.
Несмотря на то что в Англии Ротблату приходилось не сладко (он боролся с непростым для него английским языком, грязные ливерпульские трущобы и бедное оснащение лаборатории также отнюдь не радовали Джозефа), однако он все же смог достаточно быстро ко всему этому приспособиться, да еще и впечатлить Чедвика своими экспериментаторскими способностями. Причем впечатление это было настолько сильным, что в августе 1939 года Чедвик предложил ему грант имени Оливера Лоджа — наиболее престижную награду факультета. И впервые этот грант получил ученый из-за рубежа. Теперь вместе со средствами, выделенными ему Варшавским университетом, у Ротблата было достаточно денег, чтобы содержать в Англии и себя, и супругу.
