Страница:
В течение ноября и декабря 1939 года в лаборатории профессора Пауля Гартека в Гамбурге приступили к исследованиям в рамках двух новых направлений: профессором Кнауэром и доктором Суэссом была установлена аппаратура наблюдения за концентрацией нейтронов в циркулирующем растворе гексагидрата уранилдинитрата. Путем экспериментов предполагалось определить число нейтронов, выделяемых в процессе деления урана в различных заданных условиях. Одновременно в лаборатории Клузиуса – Диккеля начались опыты с использованием в качестве рабочего газа гексафторида урана. В первых экспериментах для выделения изотопов ксенона, тяжелого газа, изотопы которого были хорошо изучены в институте Гартека, использовалась сепараторная труба Клузиуса – Диккеля. Ученые хотели проверить, похожи ли свойства гексафторида урана на свойства ксенона.
Гексафторид урана Гартек получил с предприятия «И.Г. Фарбен» в Леверкузене. Сразу же начались поиски металла, способного противостоять высоким коррозийным свойствам этого вещества. В то же время гамбургская лаборатория специально для опытов с ураном-235 начала возведение сепараторной трубы большего размера, высотой около восьми метров, нагреваемой паром. В середине декабря профессор Шуман разрешил Гартеку еще до получения официального контракта тратить в рамках проекта до 6 тысяч рейхсмарок.
После Рождества 1939 года Гартек отправился в Мюнхен, где встретился с профессором Клузиусом. Клузиус без какой-либо поддержки со стороны государства работал над возможностью выделить из ураносодержащего сложного раствора уран-235. Этот процесс был основан на законе распределения, открытом Вальтером Нернстом.
Этот закон может быть сформулирован следующим образом: «В течение двух этапов вещество делится таким образом, что соотношение его концентраций на каждом этапе является постоянной величиной, так как в ходе каждого этапа его молекулярный состав не изменяется». (Термин «этап» рассматривается как физическое понятие.)
Иначе говоря, используя две несмешивающиеся жидкости, Клузиус надеялся получить изотопы урана-238 и урана-235. Предполагалось, что более легкий изотоп будет растворен в одной из жидкостей, а более тяжелый – в другой. Оба ученых считали, что такой метод мог оказаться удачным, и его следовало опробовать.
Решение о передаче Института физики имени кайзера Вильгельма в Далеме военным столкнулось с определенными трудностями. Директором института был знаменитый голландский физик– экспериментатор Петер Дебай. Поскольку предполагалось, что отныне институт будет работать над секретным проектом, ему предложили принять немецкое гражданство или уволиться. Дебай наотрез отказался сменить гражданство. Между ним и властями был достигнут компромисс: ученый принял приглашение отправиться с курсом лекций в нейтральную Америку. Он покинул Германию в январе 1940 года и назад уже не вернулся.
Шуман рекомендовал заменить Дебая доктором Дибнером, однако против такого назначения единодушно выступили основатели института, в частности президент Альберт Фоглер. В отличие от Дебая Дибнер не обладал большим авторитетом ученого. В конце концов он был представлен сотрудникам как временно замещающий директора на время его зарубежной поездки. С самого дня отъезда директора института в Далеме наметилась трещина в отношениях между Дибнером и группой Гейзенберга, что значительно ослабило последующие работы немецких ученых в рамках атомного проекта.
Доктор Карл Вирц в разговоре с фон Вайцзеккером заметил, что «к руководству институтом неожиданно пришли нацисты». Сам же он и придумал ответ на вопрос, как выйти из такого положения: путем интриг ученые должны обеспечить присутствие в институте профессора Гейзенберга, который конечно же однажды займет место директора, обойдя выскочку Дибнера. Недолго думая фон Вайцзеккер отправился к Дибнеру и предложил тому пригласить Гейзенберга в институт в качестве советника. Ничего не подозревавший Дибнер согласился. Фон Вайцзеккер поспешил обрадовать коллегу-заговорщика: Дибнер ничего не заподозрил, Гейзенберг вскоре приедет. Профессор с семьей останется жить в Лейпциге, а в Берлин будет приезжать один раз в неделю.
В июле 1940 года на территории Института биологии и вирусологии имени кайзера Вильгельма, рядом с Институтом физики, началось строительство небольшого деревянного здания, выделенного под новую лабораторию. Именно здесь был построен первый немецкий урановый реактор.
Для того чтобы избежать визитов нежелательных гостей, лаборатория получила название «Вирус-Хаус».
Глава 3
Альтернатива: плутоний
Уже в первую военную зиму все понимали, что, если Германия хотела достичь своей цели и создать урановую бомбу, следовало начинать со строительства уранового реактора. Создание реактора преследовало двойную цель: во-первых, только таким образом можно было осуществить практическую проверку всех теоретических выводов, сделанных в рамках работы по программе. Во-вторых, правительство и военные власти получили бы материальное подтверждение реальности будущих успехов, поскольку каждый уже тогда понимал, что создание новой сверхмощной бомбы будет связано с огромными трудностями и значительными расходами. В течение двух последующих лет в Германии практически перестали упоминать об атомной бомбе как таковой: все усилия были сосредоточены на выполнении промежуточной задачи, создании уранового реактора. Это, конечно, не означало, что в Германии отказались от самой идеи создания бомбы.
Еще во время первых совещаний в Берлине все поняли, что перед ними имеются два возможных варианта действий: они могли наугад использовать различные сочетания урана или урановых соединений вместе с различными веществами-замедлителями, отслеживая и фиксируя результаты. Такой эмпирический подход имел свои преимущества. С другой стороны, этот метод был довольно рискованным и подразумевал наличие в распоряжении ученых самого широкого спектра необходимых компонентов. Второй вариант подразумевал действия на основании предварительных теоретических выводов относительно хода цепной реакции. Кто-то мог тщательно просчитать многочисленные «ядерные константы»: эффективное сечение используемых материалов в зависимости от расчетной энергии, которая будет получена при бомбардировке нейтронами. Измерение этих констант требовало значительного времени и высокой квалификации ученого. Однако при таком методе работы значительно снижался расход материалов. В 1940 году, когда уран, чистый углерод, бериллий и тяжелая вода были чрезвычайной редкостью, экономия материалов была очень значительным фактором. В Германии того времени, как и в других европейских странах, возможности экспериментаторов были сильно ограничены имевшимися в их распоряжении реальными ресурсами.
В 1940 году была проведена серия экспериментов в Лейпциге, Берлине, Гейдельберге, Вене и Гамбурге. Ученые пытались определить значения констант для различных материалов, применяемых в ядерной реакции. В июне профессор Боте в Гейдельберге рассчитал рассеивание тепловых нейтронов в графите. Позднее профессора Гейзенберг и Допель (последнему помогала жена) вычислили это значение для тяжелой воды, а той же осенью были определены показатели для оксида урана. Возможно, работы Боте являлись наиболее значительными из перечисленных выше, поскольку углерод по сравнению с тяжелой водой, несомненно, является более распространенным материалом. Боте доказал, что углерод очень высокой степени очистки может быть использован в ядерной реакции в качестве замедлителя. В то же время физики из Лейпцига настаивали на применении в реакторе тяжелой воды, поскольку в этом случае они считали возможным использовать в качестве ядерного топлива природный уран. В некоторых других институтах и лабораториях достигли значительных успехов в определении критической массы и энергии, выделяемой в результате реакции деления ядра урана.
После того как стали более или менее ясными значения констант, ученые в Берлине приступили к изучению переменных, а также к разработке самого реактора. Физики-теоретики Института имени кайзера Вильгельма во главе с фон Вайцзеккером сделали необходимые расчеты и пришли к заключению, что загрузка многоуровневого реактора конструкции, предложенной Гартеком, составит около двух тонн оксида урана и примерно полтонны тяжелой воды. Эту массу предполагалось разместить в пять или шесть уровней в реакторе, высота которого составит от 70 до 90 сантиметров.
В качестве альтернативы был предложен вариант построения сферического многоуровневого реактора, в котором топливо и замедлитель располагались бы концентрическими уровнями; при этом общая загрузка составила бы всего 320 литров тяжелой воды на 1,2 тонны оксида урана. Однако было очевидным то, что второй вариант было бы более сложно воплотить с технической точки зрения. Кроме того, ученые рассчитали, что размещение вокруг реактора дополнительного отражающего углеродного слоя, который, отталкивая нейтроны, воспрепятствовал бы их утечке из реактора наружу, позволило бы еще более сократить размеры реактора. Примерно в это же время профессор Боте поделился с Гейзенбергом сомнениями относительно собственных выводов, сделанных в декабре 1939 года в докладе в военном ведомстве. И действительно, когда Гейзенберг через два месяца провел математический анализ доклада Боте, оба с сожалением пришли к заключению, что чистый графит не настолько эффективен в роли замедлителя ядерной реакции, как это казалось на первый взгляд. По тем же причинам немецкие ученые были склонны отказаться от гелия, так как в случае применения этого газа в качестве замедлителя недопустимо росли размеры реактора. Оказалось, что никакой другой материал не мог здесь конкурировать с тяжелой водой.
В январе 1940 года все пребывали в уверенности, что при наличии достаточного количества тяжелой воды цепную реакцию можно было инициировать, используя в качестве ядерного топлива природный уран. 15-го числа в дружеском письме профессору Гейзенбергу Гартек писал, что считает производство тяжелой воды не менее важной задачей, чем добыча урана. «Поскольку бремя этих экспериментов все равно упадет на плечи нам, бедным экспериментаторам, – вопрошал он, – хотелось бы знать, кто в Германии занимается производством тяжелой воды, и занимается ли этим кто-либо вообще?» Далее Гартек продолжает: «Исходя из моего собственного опыта совместной работы с военными, я считаю, что, если полагаться на них, для производства необходимого количества тяжелой воды нам потребуется несколько лет. В то же время я считаю, что, поручив выполнение этой задачи компетентным людям в нашей тяжелой промышленности, этот срок будет значительно сокращен».
За девять дней до этого в управлении доктора Дибнера в Берлине уже состоялось совещание по этому вопросу, на котором присутствовал профессор Гейзенберг, а также его коллеги – ученые физик Карл Вирц и химик Карл Фридрих Бонхоффер. Было видно, что проблема производства тяжелой воды поставила военных в тупик. Дибнер спросил мнение Гейзенберга о том, следует ли немедленно построить в Германии предприятие по производству тяжелой воды, на что профессор мудро заметил, что для начала он предпочел бы изучить процесс поглощения нейтронов, имея для экспериментов небольшое количество этого материала. Для его, Гейзенберга, исследований не потребуется более нескольких литров этой жидкости. Дибнер обещал немедленно закупить в Норвегии десять литров. Далее Гейзенберг продолжил, что строительство предприятия конечно же будет необходимо, однако руководить им должны ученые, физики и химики. Эти же слова он повторил 18 января в своем письме профессору Гартеку, посоветовав ему обязательно переговорить по поводу производства тяжелой воды с Бонхоффером. В то же время Гейзенберг был убежден, что первые эксперименты с использованием тяжелой воды были обязаны проделать именно физики.
Было маловероятным, что все потребности Германии в тяжелой воде будут удовлетворены за счет Норвегии. Ранее, несколько лет назад, профессор Гартек и доктор Суэсс работали над получением этой жидкости путем реакции каталитического обмена. Однако после вступления в эксплуатацию норвежского предприятия исследования были прекращены, поскольку в них уже не видели необходимости. 24 января Гартек написал письмо военному руководству, в котором предложил возобновить изучение процесса каталитического обмена. При этом он опирался на расчеты Гейзенберга, согласно которым расход в реакторе урана и тяжелой воды должен был быть примерно одинаковым, то есть требовались многие тонны и того и другого материала.
В случае, если норвежцы откажутся поставлять в Германию необходимое количество тяжелой воды, немцам придется получать ее путем электролиза. При этом производство одной тонны тяжелой воды будет сопряжено с расходом 100 тысяч тонн угля. Военное руководство было шокировано этими расчетами; в то же время Гартек получил от военных нагоняй за то, что осмелился действовать через их голову, обратившись напрямую к Гейзенбергу. Ему строго указали на то, что «ввиду особой секретности проекта впредь запрещается прямой обмен информацией между различными институтами. В случаях необходимости вся переписка должна вестись только через управление вооружений вермахта». Гартека проинформировали, что на совещании в начале января было принято решение о массовом производстве тяжелой воды на территории Германии.
Предложенный Гартеком и Суэссом процесс был намного дешевле электролиза. Он заключался в следующем: если пропускать обычный водород через воду в присутствии катализатора, происходила реакция, равновесие в которой наступало тогда, когда в жидкости образовывалось примерно в три раза больше атомов тяжелого водорода, чем в газе. Гартек предложил создать предприятие, на котором производство тяжелой воды основывалось бы на этом процессе. Он предложил обсудить эту идею с профессором Бонхоффером в Лейпциге. Военные согласились, и вскоре Гартек встретился с Бонхоффером, который также одобрил идею применения принципа каталитического обмена наряду с процессом гидрирования. В конце февраля в письме с пометкой «по прочтении уничтожить»
Бонхоффер писал Гартеку, что обсудил его предложение на предприятии «И.Г. Фарбен» по производству аммония в Мерсенбурге, где «все с восторгом восприняли эту идею». На предприятии производилось около шести миллионов кубических футов водорода в час. Сам же Бонхоффер по поводу предложения Гартека высказался так: «Любая идея выживает или умирает, в зависимости от того, кто будет ее катализатором».
В то же самое время германское правительство обратилось напрямую к норвежской фирме «Norwegian Hydro». Как рассказывала об этом норвежская сторона, представитель «И.Г. Фарбен», обладавшей процентами собственности этой компании, обратился на предприятие в Рьюкане с просьбой продать все наличные запасы тяжелой воды, всего 185 килограммов вещества с чистотой 99,6 и 99,9 процента. В дальнейшем немцы обещали и впредь закупать у этой компании тяжелую воду на очень выгодных условиях. Сложность состояла в том, что возможности компании составляли 10 килограммов в месяц, а немцам было нужно ежемесячно по меньшей мере 100 килограммов. Удивленные норвежцы спросили немецких коллег, где они собираются использовать такое количество этого вещества. Германская сторона предпочла уклониться от прямого ответа. В феврале 1940 года поступил ответ от норвежской стороны, в котором с сожалением отмечалось, что они не в состоянии удовлетворить запросы Германии в тяжелой воде.
В то же время в течение лета 1939 года французская группа физиков под руководством Фредерика Жолио-Кюри продолжала серию экспериментов, логически вытекавших из подтвержденной возможности цепной реакции урана. Применяя в качестве «топлива» оксид урана, в своем реакторе они попытались опробовать в качестве замедлителя воду, углерод, а также твердый диоксид углерода. В августе того же года они поместили блоки оксида урана, которым была придана сферическая форма, в воду. Воду при этом пытались использовать в качестве замедлителя. В результате ученые смогли стать свидетелями слабого кратковременного подобия цепной реакции, однако было очевидно, что вода больше поглощает, чем замедляет нейтроны.
Когда началась война, один из ведущих физиков группы был призван в армию. Однако его коллеге Хансу Халбану удалось добиться от французского министра вооружений М. Даутри обещания на поставку для дальнейших экспериментов 10 тонн графита. Наконец, в феврале 1940 года Жолио сам обратился к Даутри и попросил его обеспечить физиков необходимым количеством тяжелой воды, поскольку, с точки зрения ученого, этот материал был «наиболее интересным ингредиентом» для смешивания с оксидом урана. Жолио упомянул в этой связи 185 килограммов запасов норвежцев в Рьюкане. Этого количества, по мнению ученого, было достаточно для проведения важнейшего из экспериментов.
Даутри немедленно направил в Осло соответствующий запрос через М. Жака Аллье, лейтенанта французской секретной службы и одновременно представителя французского банка, имевшего контрольный пакет акций в «Norwegian Hydro». Кроме того, вездесущий Аллье представлял управление взрывчатых веществ в министерстве обороны Франции. Он решил «обратиться к здравому смыслу» управляющего директора компании доктора Акселя Ауберта и не просчитался, поскольку по истечении всего нескольких дней между сторонами было подписано соглашение, в соответствии с которым в распоряжение Франции бесплатно передавались все наличные запасы тяжелой воды.
Кроме того, отдельным пунктом соглашения оговаривались права Франции на запасы тяжелой воды, которые будут произведены в последующие годы. После подписания соглашения Аллье по секрету рассказал Ауберту о том, с какой целью французам нужна норвежская продукция. В ответ Ауберт попросил передать самые лучшие пожелания французскому премьер-министру господину Даладье и «заверить его, что наша компания не возьмет за эту продукцию ни одного сантима, лишь бы это способствовало победе Франции». Всего через несколько дней бесценные емкости с тяжелой водой были тайно вывезены из Норвегии, и спустя еще некоторое время они благополучно прибыли в Париж в распоряжение с нетерпением ожидавших прибытия этого груза французских физиков.
Одним из важнейших выводов, сделанных Гейзенбергом, было заключение о затухании цепной реакции по мере роста температуры. Отсюда следовало, что наиболее активно реакция будет протекать при низких температурах. 8 апреля, приблизительно одновременно с тем, как французы приступили к первым экспериментам с использованием так нелегко им доставшейся тяжелой воды, уже упоминавшийся в этой книге профессор Пауль Гартек побывал на предприятии по производству аммония в Мерсенбурге. Там он ознакомил директора по исследованиям этой компании доктора Херольда, члена нацистской партии, с планом строительства экспериментального уранового реактора, в котором оксид урана будет со всех сторон обложен «сухим льдом» – диоксидом углерода, веществом, которое в течение относительно длительного времени способно сохранять температуру минус 78 градусов. Оно просто в производстве и медленно испаряется. Кроме того, при получении этого вещества легко добиться его высокой чистоты.
Этот эксперимент должен был стать незабываемым. Такое могло сравниться только с временами, когда Гартек работал в лаборатории под руководством Резерфорда, одного из величайших физиков– экспериментаторов ХХ века. Тогда, шесть лет назад, по возвращении в Германию профессор Гартек настаивал на том, что у германской науки не будет будущего, если она не перестроит работу своих лабораторий по образцу британских. Однако его мнение не нашло поддержки в ученых кругах его страны.
Компания, в которой работал Херольд, конечно же была заинтересована в практическом использовании результатов эксперимента, поэтому он, во-первых, предложил бесплатно обеспечивать ученых сухим льдом и, во-вторых, проводить все исследования на его предприятии. Однако один из руководителей «И.Г. Фарбен» доктор Бутефиш настоял на том, что эксперименты будут проходить в Гамбурге.
Стояла весна, и до конца мая на сухой лед в Германии не ожидалось большого спроса. Гартек, которого убедили в том, что его потребности в этом веществе будут удовлетворены за один день, отправился готовить оборудование и материалы. Он отправил Дибнеру заявку на уран в количестве от 100 до 300 килограммов; одновременно пришло подтверждение военного руководства о том, что целый вагон сухого льда готов к отправке в Гамбург. Доктор Баше обещал, что очень скоро он предоставит в распоряжение Гартека не менее 100 килограммов оксида урана, правда, с условием, что тот будет пользоваться материалом не очень долго.
Проблема состояла в том, что каждый ученый хотел первым провести этот важнейший эксперимент. Профессор Гейзенберг запросил у военного командования от 500 до 1000 килограммов оксида урана, на что получил от Дибнера ответ, что он не первый в очереди. Пока в наличии было всего 150 килограммов; предполагалось, что в мае эта цифра вырастет до 600 килограммов, а в июне – до одной тонны. Дибнер предложил Гейзенбергу попытаться договориться с Гартеком, который тоже претендовал на эти запасы. Тогда лауреат Нобелевской премии написал Гартеку письмо, в котором просил уступить ему несколько сот килограммов драгоценного материала. «Конечно же, – добавил он, – если у Вас есть какие-либо причины торопиться с проведением Вашего эксперимента, Вы имеете несомненный приоритет. Однако я предложил бы Вам пока удовлетвориться количеством 100 килограммов».
Это привело Гартека в ярость. Он помнил, что всего через несколько недель по железной дороге в Гамбург должны прийти примерно 10 тонн диоксида углерода. Если ждать июня, то получение этого материала ставилось под сомнение, поскольку все производители к этому времени начнут работать для нужд владельцев холодильников. К тому же профессор Кнауэр уже предоставил все необходимое для проведения эксперимента оборудование. «Единственное, чего нам теперь не хватает для проведения решающего эксперимента, – это вещество 38 (оксид урана). Нам понадобится этот материал всего лишь с 20 мая максимум по 10 июня. Блоки сухого льда нельзя будет хранить более примерно одной недели, поэтому мы закончим очень быстро». Единственной причиной, почему Гартек просил от 100 до 300 килограммов оксида урана, было то, что он пребывал в уверенности, что это составляет все наличные запасы страны. «Безусловно и неоспоримо то, что чем большее количество оксида урана мы используем в эксперименте, тем более точными будут результаты, поэтому я убедительно прошу Вас обеспечить нам максимально возможное количество этого вещества».
К концу первой недели мая 1940 года была завершена подготовка места проведения эксперимента. Дибнер обещал предоставить в распоряжение Гартека «несколько сот килограммов» оксида урана. Гартек умолял Херольда задержать доставку диоксида углерода из Мерсенбурга настолько, насколько это представляется возможным. Он рассчитывал успеть получить находившуюся у профессора Гейзенберга часть запасов оксида урана. Позвонив 6 мая в Берлин, Гартек заявил Дибнеру, что для проведения эксперимента такого масштаба ему необходимо не менее 600 килограммов оксида урана. Через три дня он письменно запросил Дибнера, какое именно количество материала будет предоставлено в его распоряжение. Эти данные были нужны Гартеку для выполнения математических расчетов эксперимента. Ученый вновь заверял военных, что надеется получить очень важные результаты.
Наконец, на последней неделе мая Гартек получил обещанный оксид урана и, конечно, в гораздо меньшем количестве, чем он ожидал. Военные «расщедрились» на четверть того, что было запрошено. Сотрудники Института имени кайзера Вильгельма с явной неохотой поделились частью своих запасов. В сопроводительном письме профессор Розе писал: «По распоряжению управления вооружений вермахта отправляем вам 50 килограммов оксида вещества 38. Хайль Гитлер!» Еще через несколько дней в Гамбург прибыло чуть больше 100 килограммов, отправленных лично профессором Рилем из компании «Auer». Но это было все.
Гартек получил от военных строгое предупреждение, что в результате его экспериментов оксид урана ни в коем случае не должен был быть «загрязнен». Это было похоже на предупреждение первого лорда адмиралтейства британскому адмиралу перед величайшей битвой Первой мировой войны о том, что тот ни в коем случае не должен повредить поступившие в его распоряжение два новых крейсера. Однако на этом сходство заканчивалось: тот адмирал спустя месяц вернул крейсера и с британской бесстрастностью доложил командованию о потоплении почти всей эскадры фон Шпее у берегов Китая, извинившись заранее за то, что на крейсерах могут быть обнаружены «полученные по его неосмотрительности повреждения».
Увы, с германским ядерным проектом дела обстояли несколько иначе: корабль Гартека отправился воевать с законами физики, и, когда дым битвы рассеялся, обнаружилось, что неприятель, хотя он и был сильно потрепан, все еще на плаву.
На первой неделе июня в дополнение к полученным 185 килограммам оксида урана в лабораторию Гартека прибыли 15 тонн диоксида углерода. Профессор Гартек соорудил из сухого льда постройку высотой более двух метров и чуть меньшей толщиной. Внутри он равномерно распределил оксид урана на пять блоков, а в самом центре расположил радий-бериллиевый источник нейтронов. 3 июня он отрапортовал в Берлин, что все предварительные расчеты уже проведены и теперь необходимо подождать одну неделю, пока не закончится эксперимент. Сам он уже понимал, что, имея столь незначительное количество оксида урана, не может рассчитывать на успех и его эксперимент обречен. У него не было возможности рассчитать показатель увеличения количества нейтронов, поскольку этот процесс просто невозможно было наблюдать. Ученые удовлетворились расчетами показателя рассеивания нейтронов в твердом диоксиде углерода, а также поглощения нейтронов ураном. Полный отчет об эксперименте был закончен к августу. Главным результатом оказалось то, что размеры реактора оказались значительно большими, чем это предполагалось ранее. Несмотря на то что ученые группы Гартека рассчитывали провести еще один эксперимент с использованием пятиметрового куба сухого льда и одной или двух тонн оксида урана, Гартек был настолько подавлен оппозицией со стороны своих коллег из других институтов, что этот эксперимент, к сожалению, так и не состоялся.
Еще во время первых совещаний в Берлине все поняли, что перед ними имеются два возможных варианта действий: они могли наугад использовать различные сочетания урана или урановых соединений вместе с различными веществами-замедлителями, отслеживая и фиксируя результаты. Такой эмпирический подход имел свои преимущества. С другой стороны, этот метод был довольно рискованным и подразумевал наличие в распоряжении ученых самого широкого спектра необходимых компонентов. Второй вариант подразумевал действия на основании предварительных теоретических выводов относительно хода цепной реакции. Кто-то мог тщательно просчитать многочисленные «ядерные константы»: эффективное сечение используемых материалов в зависимости от расчетной энергии, которая будет получена при бомбардировке нейтронами. Измерение этих констант требовало значительного времени и высокой квалификации ученого. Однако при таком методе работы значительно снижался расход материалов. В 1940 году, когда уран, чистый углерод, бериллий и тяжелая вода были чрезвычайной редкостью, экономия материалов была очень значительным фактором. В Германии того времени, как и в других европейских странах, возможности экспериментаторов были сильно ограничены имевшимися в их распоряжении реальными ресурсами.
В 1940 году была проведена серия экспериментов в Лейпциге, Берлине, Гейдельберге, Вене и Гамбурге. Ученые пытались определить значения констант для различных материалов, применяемых в ядерной реакции. В июне профессор Боте в Гейдельберге рассчитал рассеивание тепловых нейтронов в графите. Позднее профессора Гейзенберг и Допель (последнему помогала жена) вычислили это значение для тяжелой воды, а той же осенью были определены показатели для оксида урана. Возможно, работы Боте являлись наиболее значительными из перечисленных выше, поскольку углерод по сравнению с тяжелой водой, несомненно, является более распространенным материалом. Боте доказал, что углерод очень высокой степени очистки может быть использован в ядерной реакции в качестве замедлителя. В то же время физики из Лейпцига настаивали на применении в реакторе тяжелой воды, поскольку в этом случае они считали возможным использовать в качестве ядерного топлива природный уран. В некоторых других институтах и лабораториях достигли значительных успехов в определении критической массы и энергии, выделяемой в результате реакции деления ядра урана.
После того как стали более или менее ясными значения констант, ученые в Берлине приступили к изучению переменных, а также к разработке самого реактора. Физики-теоретики Института имени кайзера Вильгельма во главе с фон Вайцзеккером сделали необходимые расчеты и пришли к заключению, что загрузка многоуровневого реактора конструкции, предложенной Гартеком, составит около двух тонн оксида урана и примерно полтонны тяжелой воды. Эту массу предполагалось разместить в пять или шесть уровней в реакторе, высота которого составит от 70 до 90 сантиметров.
В качестве альтернативы был предложен вариант построения сферического многоуровневого реактора, в котором топливо и замедлитель располагались бы концентрическими уровнями; при этом общая загрузка составила бы всего 320 литров тяжелой воды на 1,2 тонны оксида урана. Однако было очевидным то, что второй вариант было бы более сложно воплотить с технической точки зрения. Кроме того, ученые рассчитали, что размещение вокруг реактора дополнительного отражающего углеродного слоя, который, отталкивая нейтроны, воспрепятствовал бы их утечке из реактора наружу, позволило бы еще более сократить размеры реактора. Примерно в это же время профессор Боте поделился с Гейзенбергом сомнениями относительно собственных выводов, сделанных в декабре 1939 года в докладе в военном ведомстве. И действительно, когда Гейзенберг через два месяца провел математический анализ доклада Боте, оба с сожалением пришли к заключению, что чистый графит не настолько эффективен в роли замедлителя ядерной реакции, как это казалось на первый взгляд. По тем же причинам немецкие ученые были склонны отказаться от гелия, так как в случае применения этого газа в качестве замедлителя недопустимо росли размеры реактора. Оказалось, что никакой другой материал не мог здесь конкурировать с тяжелой водой.
В январе 1940 года все пребывали в уверенности, что при наличии достаточного количества тяжелой воды цепную реакцию можно было инициировать, используя в качестве ядерного топлива природный уран. 15-го числа в дружеском письме профессору Гейзенбергу Гартек писал, что считает производство тяжелой воды не менее важной задачей, чем добыча урана. «Поскольку бремя этих экспериментов все равно упадет на плечи нам, бедным экспериментаторам, – вопрошал он, – хотелось бы знать, кто в Германии занимается производством тяжелой воды, и занимается ли этим кто-либо вообще?» Далее Гартек продолжает: «Исходя из моего собственного опыта совместной работы с военными, я считаю, что, если полагаться на них, для производства необходимого количества тяжелой воды нам потребуется несколько лет. В то же время я считаю, что, поручив выполнение этой задачи компетентным людям в нашей тяжелой промышленности, этот срок будет значительно сокращен».
За девять дней до этого в управлении доктора Дибнера в Берлине уже состоялось совещание по этому вопросу, на котором присутствовал профессор Гейзенберг, а также его коллеги – ученые физик Карл Вирц и химик Карл Фридрих Бонхоффер. Было видно, что проблема производства тяжелой воды поставила военных в тупик. Дибнер спросил мнение Гейзенберга о том, следует ли немедленно построить в Германии предприятие по производству тяжелой воды, на что профессор мудро заметил, что для начала он предпочел бы изучить процесс поглощения нейтронов, имея для экспериментов небольшое количество этого материала. Для его, Гейзенберга, исследований не потребуется более нескольких литров этой жидкости. Дибнер обещал немедленно закупить в Норвегии десять литров. Далее Гейзенберг продолжил, что строительство предприятия конечно же будет необходимо, однако руководить им должны ученые, физики и химики. Эти же слова он повторил 18 января в своем письме профессору Гартеку, посоветовав ему обязательно переговорить по поводу производства тяжелой воды с Бонхоффером. В то же время Гейзенберг был убежден, что первые эксперименты с использованием тяжелой воды были обязаны проделать именно физики.
Было маловероятным, что все потребности Германии в тяжелой воде будут удовлетворены за счет Норвегии. Ранее, несколько лет назад, профессор Гартек и доктор Суэсс работали над получением этой жидкости путем реакции каталитического обмена. Однако после вступления в эксплуатацию норвежского предприятия исследования были прекращены, поскольку в них уже не видели необходимости. 24 января Гартек написал письмо военному руководству, в котором предложил возобновить изучение процесса каталитического обмена. При этом он опирался на расчеты Гейзенберга, согласно которым расход в реакторе урана и тяжелой воды должен был быть примерно одинаковым, то есть требовались многие тонны и того и другого материала.
В случае, если норвежцы откажутся поставлять в Германию необходимое количество тяжелой воды, немцам придется получать ее путем электролиза. При этом производство одной тонны тяжелой воды будет сопряжено с расходом 100 тысяч тонн угля. Военное руководство было шокировано этими расчетами; в то же время Гартек получил от военных нагоняй за то, что осмелился действовать через их голову, обратившись напрямую к Гейзенбергу. Ему строго указали на то, что «ввиду особой секретности проекта впредь запрещается прямой обмен информацией между различными институтами. В случаях необходимости вся переписка должна вестись только через управление вооружений вермахта». Гартека проинформировали, что на совещании в начале января было принято решение о массовом производстве тяжелой воды на территории Германии.
Предложенный Гартеком и Суэссом процесс был намного дешевле электролиза. Он заключался в следующем: если пропускать обычный водород через воду в присутствии катализатора, происходила реакция, равновесие в которой наступало тогда, когда в жидкости образовывалось примерно в три раза больше атомов тяжелого водорода, чем в газе. Гартек предложил создать предприятие, на котором производство тяжелой воды основывалось бы на этом процессе. Он предложил обсудить эту идею с профессором Бонхоффером в Лейпциге. Военные согласились, и вскоре Гартек встретился с Бонхоффером, который также одобрил идею применения принципа каталитического обмена наряду с процессом гидрирования. В конце февраля в письме с пометкой «по прочтении уничтожить»
Бонхоффер писал Гартеку, что обсудил его предложение на предприятии «И.Г. Фарбен» по производству аммония в Мерсенбурге, где «все с восторгом восприняли эту идею». На предприятии производилось около шести миллионов кубических футов водорода в час. Сам же Бонхоффер по поводу предложения Гартека высказался так: «Любая идея выживает или умирает, в зависимости от того, кто будет ее катализатором».
В то же самое время германское правительство обратилось напрямую к норвежской фирме «Norwegian Hydro». Как рассказывала об этом норвежская сторона, представитель «И.Г. Фарбен», обладавшей процентами собственности этой компании, обратился на предприятие в Рьюкане с просьбой продать все наличные запасы тяжелой воды, всего 185 килограммов вещества с чистотой 99,6 и 99,9 процента. В дальнейшем немцы обещали и впредь закупать у этой компании тяжелую воду на очень выгодных условиях. Сложность состояла в том, что возможности компании составляли 10 килограммов в месяц, а немцам было нужно ежемесячно по меньшей мере 100 килограммов. Удивленные норвежцы спросили немецких коллег, где они собираются использовать такое количество этого вещества. Германская сторона предпочла уклониться от прямого ответа. В феврале 1940 года поступил ответ от норвежской стороны, в котором с сожалением отмечалось, что они не в состоянии удовлетворить запросы Германии в тяжелой воде.
В то же время в течение лета 1939 года французская группа физиков под руководством Фредерика Жолио-Кюри продолжала серию экспериментов, логически вытекавших из подтвержденной возможности цепной реакции урана. Применяя в качестве «топлива» оксид урана, в своем реакторе они попытались опробовать в качестве замедлителя воду, углерод, а также твердый диоксид углерода. В августе того же года они поместили блоки оксида урана, которым была придана сферическая форма, в воду. Воду при этом пытались использовать в качестве замедлителя. В результате ученые смогли стать свидетелями слабого кратковременного подобия цепной реакции, однако было очевидно, что вода больше поглощает, чем замедляет нейтроны.
Когда началась война, один из ведущих физиков группы был призван в армию. Однако его коллеге Хансу Халбану удалось добиться от французского министра вооружений М. Даутри обещания на поставку для дальнейших экспериментов 10 тонн графита. Наконец, в феврале 1940 года Жолио сам обратился к Даутри и попросил его обеспечить физиков необходимым количеством тяжелой воды, поскольку, с точки зрения ученого, этот материал был «наиболее интересным ингредиентом» для смешивания с оксидом урана. Жолио упомянул в этой связи 185 килограммов запасов норвежцев в Рьюкане. Этого количества, по мнению ученого, было достаточно для проведения важнейшего из экспериментов.
Даутри немедленно направил в Осло соответствующий запрос через М. Жака Аллье, лейтенанта французской секретной службы и одновременно представителя французского банка, имевшего контрольный пакет акций в «Norwegian Hydro». Кроме того, вездесущий Аллье представлял управление взрывчатых веществ в министерстве обороны Франции. Он решил «обратиться к здравому смыслу» управляющего директора компании доктора Акселя Ауберта и не просчитался, поскольку по истечении всего нескольких дней между сторонами было подписано соглашение, в соответствии с которым в распоряжение Франции бесплатно передавались все наличные запасы тяжелой воды.
Кроме того, отдельным пунктом соглашения оговаривались права Франции на запасы тяжелой воды, которые будут произведены в последующие годы. После подписания соглашения Аллье по секрету рассказал Ауберту о том, с какой целью французам нужна норвежская продукция. В ответ Ауберт попросил передать самые лучшие пожелания французскому премьер-министру господину Даладье и «заверить его, что наша компания не возьмет за эту продукцию ни одного сантима, лишь бы это способствовало победе Франции». Всего через несколько дней бесценные емкости с тяжелой водой были тайно вывезены из Норвегии, и спустя еще некоторое время они благополучно прибыли в Париж в распоряжение с нетерпением ожидавших прибытия этого груза французских физиков.
Одним из важнейших выводов, сделанных Гейзенбергом, было заключение о затухании цепной реакции по мере роста температуры. Отсюда следовало, что наиболее активно реакция будет протекать при низких температурах. 8 апреля, приблизительно одновременно с тем, как французы приступили к первым экспериментам с использованием так нелегко им доставшейся тяжелой воды, уже упоминавшийся в этой книге профессор Пауль Гартек побывал на предприятии по производству аммония в Мерсенбурге. Там он ознакомил директора по исследованиям этой компании доктора Херольда, члена нацистской партии, с планом строительства экспериментального уранового реактора, в котором оксид урана будет со всех сторон обложен «сухим льдом» – диоксидом углерода, веществом, которое в течение относительно длительного времени способно сохранять температуру минус 78 градусов. Оно просто в производстве и медленно испаряется. Кроме того, при получении этого вещества легко добиться его высокой чистоты.
Этот эксперимент должен был стать незабываемым. Такое могло сравниться только с временами, когда Гартек работал в лаборатории под руководством Резерфорда, одного из величайших физиков– экспериментаторов ХХ века. Тогда, шесть лет назад, по возвращении в Германию профессор Гартек настаивал на том, что у германской науки не будет будущего, если она не перестроит работу своих лабораторий по образцу британских. Однако его мнение не нашло поддержки в ученых кругах его страны.
Компания, в которой работал Херольд, конечно же была заинтересована в практическом использовании результатов эксперимента, поэтому он, во-первых, предложил бесплатно обеспечивать ученых сухим льдом и, во-вторых, проводить все исследования на его предприятии. Однако один из руководителей «И.Г. Фарбен» доктор Бутефиш настоял на том, что эксперименты будут проходить в Гамбурге.
Стояла весна, и до конца мая на сухой лед в Германии не ожидалось большого спроса. Гартек, которого убедили в том, что его потребности в этом веществе будут удовлетворены за один день, отправился готовить оборудование и материалы. Он отправил Дибнеру заявку на уран в количестве от 100 до 300 килограммов; одновременно пришло подтверждение военного руководства о том, что целый вагон сухого льда готов к отправке в Гамбург. Доктор Баше обещал, что очень скоро он предоставит в распоряжение Гартека не менее 100 килограммов оксида урана, правда, с условием, что тот будет пользоваться материалом не очень долго.
Проблема состояла в том, что каждый ученый хотел первым провести этот важнейший эксперимент. Профессор Гейзенберг запросил у военного командования от 500 до 1000 килограммов оксида урана, на что получил от Дибнера ответ, что он не первый в очереди. Пока в наличии было всего 150 килограммов; предполагалось, что в мае эта цифра вырастет до 600 килограммов, а в июне – до одной тонны. Дибнер предложил Гейзенбергу попытаться договориться с Гартеком, который тоже претендовал на эти запасы. Тогда лауреат Нобелевской премии написал Гартеку письмо, в котором просил уступить ему несколько сот килограммов драгоценного материала. «Конечно же, – добавил он, – если у Вас есть какие-либо причины торопиться с проведением Вашего эксперимента, Вы имеете несомненный приоритет. Однако я предложил бы Вам пока удовлетвориться количеством 100 килограммов».
Это привело Гартека в ярость. Он помнил, что всего через несколько недель по железной дороге в Гамбург должны прийти примерно 10 тонн диоксида углерода. Если ждать июня, то получение этого материала ставилось под сомнение, поскольку все производители к этому времени начнут работать для нужд владельцев холодильников. К тому же профессор Кнауэр уже предоставил все необходимое для проведения эксперимента оборудование. «Единственное, чего нам теперь не хватает для проведения решающего эксперимента, – это вещество 38 (оксид урана). Нам понадобится этот материал всего лишь с 20 мая максимум по 10 июня. Блоки сухого льда нельзя будет хранить более примерно одной недели, поэтому мы закончим очень быстро». Единственной причиной, почему Гартек просил от 100 до 300 килограммов оксида урана, было то, что он пребывал в уверенности, что это составляет все наличные запасы страны. «Безусловно и неоспоримо то, что чем большее количество оксида урана мы используем в эксперименте, тем более точными будут результаты, поэтому я убедительно прошу Вас обеспечить нам максимально возможное количество этого вещества».
К концу первой недели мая 1940 года была завершена подготовка места проведения эксперимента. Дибнер обещал предоставить в распоряжение Гартека «несколько сот килограммов» оксида урана. Гартек умолял Херольда задержать доставку диоксида углерода из Мерсенбурга настолько, насколько это представляется возможным. Он рассчитывал успеть получить находившуюся у профессора Гейзенберга часть запасов оксида урана. Позвонив 6 мая в Берлин, Гартек заявил Дибнеру, что для проведения эксперимента такого масштаба ему необходимо не менее 600 килограммов оксида урана. Через три дня он письменно запросил Дибнера, какое именно количество материала будет предоставлено в его распоряжение. Эти данные были нужны Гартеку для выполнения математических расчетов эксперимента. Ученый вновь заверял военных, что надеется получить очень важные результаты.
Наконец, на последней неделе мая Гартек получил обещанный оксид урана и, конечно, в гораздо меньшем количестве, чем он ожидал. Военные «расщедрились» на четверть того, что было запрошено. Сотрудники Института имени кайзера Вильгельма с явной неохотой поделились частью своих запасов. В сопроводительном письме профессор Розе писал: «По распоряжению управления вооружений вермахта отправляем вам 50 килограммов оксида вещества 38. Хайль Гитлер!» Еще через несколько дней в Гамбург прибыло чуть больше 100 килограммов, отправленных лично профессором Рилем из компании «Auer». Но это было все.
Гартек получил от военных строгое предупреждение, что в результате его экспериментов оксид урана ни в коем случае не должен был быть «загрязнен». Это было похоже на предупреждение первого лорда адмиралтейства британскому адмиралу перед величайшей битвой Первой мировой войны о том, что тот ни в коем случае не должен повредить поступившие в его распоряжение два новых крейсера. Однако на этом сходство заканчивалось: тот адмирал спустя месяц вернул крейсера и с британской бесстрастностью доложил командованию о потоплении почти всей эскадры фон Шпее у берегов Китая, извинившись заранее за то, что на крейсерах могут быть обнаружены «полученные по его неосмотрительности повреждения».
Увы, с германским ядерным проектом дела обстояли несколько иначе: корабль Гартека отправился воевать с законами физики, и, когда дым битвы рассеялся, обнаружилось, что неприятель, хотя он и был сильно потрепан, все еще на плаву.
На первой неделе июня в дополнение к полученным 185 килограммам оксида урана в лабораторию Гартека прибыли 15 тонн диоксида углерода. Профессор Гартек соорудил из сухого льда постройку высотой более двух метров и чуть меньшей толщиной. Внутри он равномерно распределил оксид урана на пять блоков, а в самом центре расположил радий-бериллиевый источник нейтронов. 3 июня он отрапортовал в Берлин, что все предварительные расчеты уже проведены и теперь необходимо подождать одну неделю, пока не закончится эксперимент. Сам он уже понимал, что, имея столь незначительное количество оксида урана, не может рассчитывать на успех и его эксперимент обречен. У него не было возможности рассчитать показатель увеличения количества нейтронов, поскольку этот процесс просто невозможно было наблюдать. Ученые удовлетворились расчетами показателя рассеивания нейтронов в твердом диоксиде углерода, а также поглощения нейтронов ураном. Полный отчет об эксперименте был закончен к августу. Главным результатом оказалось то, что размеры реактора оказались значительно большими, чем это предполагалось ранее. Несмотря на то что ученые группы Гартека рассчитывали провести еще один эксперимент с использованием пятиметрового куба сухого льда и одной или двух тонн оксида урана, Гартек был настолько подавлен оппозицией со стороны своих коллег из других институтов, что этот эксперимент, к сожалению, так и не состоялся.