Превращение элементов

Урановый кошмар

Строго говоря, не церий, лантан и барий, полученные Ганом и Штрассманом, так взволновали физиков и химиков. Важно было другое: в процессе их образования из урана выделялось такое количество энергии, которое трудно было себе представить. Как подсчитали Лиза Мейтнер и Отто Фриш, при расщеплении одного атома урана энергии должно выделиться в 50 миллионов раз больше, чем при сгорании одного атома водорода в кислороде.

Бор был ещё в пути, когда Фриш повторил опыты Гана и Штрассмана с использованием осциллографа, регистрирующего электрические импульсы. Этот прибор был своеобразным атомным термометром; высота импульса на его экране характеризовала выделившуюся энергию. Сомнения не было: таких всплесков на экране Фришу никогда не приходилось наблюдать ранее.

На следующий день Фриш и Мейтнер послали в английский журнал статью «Деление урана с помощью нейтронов — новый тип ядерной реакции». В статье указывалось на возможность деления ядра урана после захвата нейтрона на два ядра других элементов. Так как они первоначально будут находиться в непосредственной близости и оба несут большие положительные заряды, то последует их взаимное отталкивание с огромной кинетической энергией. Она в 20 миллионов раз превосходит взрывчатую силу тротила.

Когда эта потрясающая новость дошла до Ферми, он понял, насколько был близко у цели, открывая 93-й элемент. Не теряя времени, он вместе с профессором Дж. Пегрэмом и Дж. Даннингом обсудил возможность постановки эксперимента по делению ядер урана, а сам устремился на свидание с Бором в Вашингтон. Даннинг вместе с профессором Дж. Слэком и Ю.Бутом сконструировали необходимую установку в тот же вечер. К 23 часам они провели решающий эксперимент, не зная, что уже 10 дней назад это всё сделано О.Фришем по другую сторону океана. А утром аудитория университета Джоржда Вашингтона, где проходила встреча по вопросам теоретической физики, с нетерпением ожидала выступления Бора и Ферми. Уже распространился слух, что два лауреата Нобелевской премии намереваются сообщить аудитории сведения первостепенного значения.

Бор не отличался красноречием, но его выступление произвело на всех присутствующих ошеломляющее действие. Когда он в последних своих словах пояснил, что ядерные осколки высокой энергии можно обнаружить простейшим прибором, то несколько физиков сорвались с мест и помчались в свои лаборатории, чтобы самим убедиться в том, что всё, сказанное Бором, — правда.

Через сутки о произведённых опытах своим читателям сообщили многие американские газеты. Доктор Л.Альварец, физик Калифорнийского университета, в этот день сидел в кресле парикмахера и был уже наполовину подстрижен, когда взгляд его упал на заголовок в газете: «Атом урана разделён на две половины, высвобождено 200 миллионов электрон-вольт энергии». Учёный отстранил парикмахера, вскочил с кресла и выбежал на улицу с развевающейся на ветру салфеткой. В радиационной лаборатории университета он ошарашил коллег необычайным известием, оценить по достоинству которое могли, конечно, не обыватели, уже привыкшие к различным газетным сенсациям и эффектам, а лишь те, кого непосредственно касались проблемы превращения элементов.

Как же всё-таки могло случиться, что такой учёный, как Энрико Ферми, мог не заметить деления ядер урана, которое, несомненно, происходило в его экспериментах? Много лет спустя этот вопрос был ему задан, и он пояснил, что виной всему была тонкая алюминиевая полоска, толщиной всего в три мила (0,0762 миллиметра), не позволявшая регистрировать всплески энергии на экране осциллографа. Ее ставили, чтобы отделить радиацию предполагаемого 93-го элемента, т. е. в качестве «радиационного сита». К слову сказать, два года спустя после группы Ферми такие же опыты поставили швейцарские физики. Аппаратура была та же. Однажды они забыли поставить алюминиевую фольгу в камеру и были поражены невероятно высокими кривыми на экране осциллографа, но посчитали, что «проклятый аппарат искрит». Перейдя на другой аппарат, в котором уже была алюминиевая фольга, они больше не наблюдали такого явления и вспомнили о нём, надо полагать, лишь в 1939 г., когда были проведены эксперименты Фриша, Даннинга и других физиков.

Итак, атом урана расщеплён — какие это может иметь практические последствия? О том, что при ядерных превращениях выделяется значительное количество энергии, знали ещё в 1919 г. благодаря экспериментам Резерфорда. Однако именно Резерфорд проявлял до конца дней своих обоснованный скепсис в отношении практического использования этой энергии. По словам Эйнштейна, это всё равно, что «стрелять птиц в темноте, к тому же если их вообще немного». Эта образная фраза Эйнштейна точно характеризовала реальное положение вещей: как мы помним, в экспериментах Резерфорда из миллиона альфа-частиц только одна попадала в ядро азота и вызывала реакцию превращения.

По-иному эта проблема выглядела сейчас. Выступая в аудитории университета Джорджа Вашингтона, Энрико Ферми дал понять изумлённым слушателям, что, по всей вероятности, при расщеплении урана испускаются нейтроны. Это существенно меняло дело, поскольку в этих условиях возможно возникновение цепной реакции. Правда, всё это Ферми преподнёс пока лишь как предположение, не подкреплённое экспериментально.

В начале марта 1939 г. Лео Сциллард, венгерский физик, давно уже эмигрировавший в США, и Уолтер Зинн поставили эксперимент, который убедил их в том, что при делении ядра урана действительно выбрасываются нейтроны. Почти в это же время две другие группы учёных удостоверились в том же — группа Э.Ферми и Г.Андерсона в Колумбийском университете и группа Фредерика Жолио-Кюри в Париже, в которую входили также X. фон Халбан, Лев Коварски и Ф.Перрен. Последние немедленно опубликовали в английском журнале сообщение — «Высвобождение нейтронов в ядерном взрыве урана». Физики больше не сомневались в том, что практическое использование ядерной энергии не за горами, но не всех это радовало. Напротив, та часть учёных, которая понимала, чем это грозит человечеству при политической ситуации, сложившейся в мире накануне второй мировой войны, была весьма встревожена. Лео Сциллард, например, признавался впоследствии, что у него тогда «почти не оставалось сомнений, что мир ждёт беда».

В мир и так уже стучалась беда: всей Западной Европе грозила гигантская военная машина фашистской Германии. Захватнические устремления Гитлера уже не скрывались, и претензии его становились всё наглее. Не существовало уже Австрии, было ясно, что вот-вот германские армии хлынут на территории других государств. Много учёных с мировым именем эмигрировали из континентальной Европы в США или Англию, опасаясь фашистских концлагерей, куда их запрятали бы без малейших колебаний. Но не так уж и мало прославленных физиков осталось в самой Германии. Среди них были тот же О.Ган, К.Вейцзекер, В.Боте, В.Гейзенберг и многие другие. Они прекрасно разбирались в физике атомного ядра и в идеях, связанных с новейшими её достижениями. Где была гарантия тому, что, уяснив себе, какие возможности открываются в работах по высвобождению атомной энергии, Гитлер не заставит этих учёных трудиться над созданием чудовищного оружия для порабощения мира? Промышленный потенциал Германии очень высок, средств для этого Гитлер не пожалеет, если только поверит в то, что это достижимо.

Понимая, какую угрозу таит опубликование новых данных по расщеплению ядра урана в создавшейся обстановке, ведущие физики в США, прежде всего Лео Сциллард, решили, что весьма своевременным было бы для учёных воздержаться от публикации работ на эту тему. Предлагалось ввести добровольную самоцензуру, чтобы важные данные не стали достоянием гитлеровской Германии. С этой целью Сциллард и В.Вайскопф направили соответствующую телеграмму Ф.Жолио-Кюри. В Париже её получили 1 апреля 1939 г. и… отклонили содержавшееся в ней предложение. Первоначально французы её восприняли вообще как первоапрельскую шутку, но затем стали понимать всю её серьёзность. Что же было причиной их отказа? Во-первых, Ф.Жолио-Кюри не был уверен в том, что это предложение будет поддержано всеми физиками мира, полагая, что Сциллард и его товарищи выступают здесь лишь с частной инициативой, и вряд ли тот, кто добьётся успеха в ближайшее время, воздержится от патентования своего открытия. Во-вторых, Жолио-Кюри твёрдо придерживался принципа М.Кюри — всегда публиковать каждый научный результат. И наконец, пожалуй, самое важное. Коллектив французских учёных очень нуждался в финансовой поддержке, а получить её, не публикуя результатов, возможности не представлялось.

Прошла всего лишь неделя, и французы написали в лондонский журнал новую статью, в которой указывалось, что при делении ядра урана выделяется не один, а несколько нейтронов. Это уже говорило о том, что реакция, если она начнётся в уране, будет не только самоподдерживающейся, но и нарастающей. Фриш сказал по этому поводу: «Мне казалось это невозможным, так как тогда не было бы залежей урана…».

Однако Бор рассудил по-другому. Природный уран состоит из нескольких изотопов с массовыми числами 238, 235 и 233. Главную массу составляет уран-238, его в природном уране 99,3 %. Но как раз его атомы под воздействием медленных нейтронов не расщепляются. Этому были подвержены атомы урана-235, а их-то было очень мало, так что нейтроны, выброшенные ими, прежде чем оказать свое действие на такие же атомы, поглощались ураном-238. Таким образом, «нейтронный вор» уран-238 останавливал реакцию, и потому о «выгорании» природного урана не было оснований беспокоиться.

Разделить эти изотопы химическим путём невозможно, так как это один и тот же элемент, для которого характерны совершенно одинаковые реакции.

Трудности, стоявшие перед физиками, замышлявшими осуществить цепную реакцию расщепления урана, были очень велики, но не настолько, чтобы их нельзя было преодолеть. Во всяком случае за последнее время наука не раз доказывала, что она умеет находить и прямые, и обходные пути для решения самых сложных и запутанных задач. Кто поручится, что выдающиеся физики, оставшиеся в фашистской Германии, первыми не преодолеют эту трудность?

15 марта 1939 г. Гитлер оккупировал всё то, что осталось от Чехословакии после пресловутого Мюнхенского соглашения. 16 марта Э.Ферми прибыл в Вашингтон с письмом декана Колумбийского университета к начальнику штаба военно-морского флота США. Он был принят молодыми офицерами, которые вежливо и внимательно выслушали знаменитого физика, пытавшегося объяснить им, как важно в настоящий момент форсировать работы по овладению атомной энергией. Ферми говорил, что осуществление контролируемой цепной реакции может означать создание атомных реакторов для подводных лодок и военных судов или же бомб, мощность которых в миллионы раз превосходила бы всё известное до сих пор. Его выслушали очень терпеливо, просили и в дальнейшем держать в курсе исследований, но, как утверждают, после его ухода один из офицеров сказал другому: «Этот итальяшка — сумасшедший!»

Опасность, нависшую над миром, понимали только сами учёные. Они решили во что бы то ни стало внушить эту мысль об опасности непосредственно президенту США Рузвельту.

О том, как был осуществлён этот план, рассказано во многих публикациях. Поэтому мы её коснемся только в общих чертах. Было составлено письмо на имя Рузвельта, уговорили А.Эйнштейна, разделявшего пацифистские убеждения, подписать его и попросили экономиста Александра Сакса вручить президенту. К письму была приложена пояснительная записка, написанная Сциллардом.

Президент встретил Сакса с некоторой иронией. «Что за блестящая идея у вас появилась? — спросил он. — Сколько времени вам надо, чтобы изложить её?» Сакс настроился на предложенный иронический тон и рассказал президенту о том, как в своё время Наполеон выгнал изобретателя парохода Фултона. Этим Сакс намекал президенту, что Англия тогда своим спасением была обязана лишь близорукости противника. На президента это в некотором роде подействовало, и он стал более внимательным. Дело закончилось тем, что он вызвал генерала Уотсона и, указав ему на принесённые документы, сказал: «Па (прозвище Уотсона), это требует действий».

Но немедленных действий не последовало.

Через полгода тот же Сакс передал президенту новое письмо Эйнштейна, в котором сообщалось, что по имеющимся сведениям над проблемой урана при поддержке правительства интенсивно работают немецкие учёные. На этот раз на проведение исследований было выделено… 6 тысяч долларов.

Колумбийский университет использовал деньги на постройку опытного реактора, и поручил исполнение лучшему специалисту — Ферми.

Реактор представлял огромное сооружение, колонну, сложенную из окиси урана и графитовых блоков. Графит служил замедлителем нейтронов. К этому времени Бор и Уиллер установили, что уран-238 может захватывать нейтроны лишь высоких скоростей, тогда как уран-235 поглощает медленные нейтроны.

В конце 1941 г. в США из Англии прибыл доктор М.Олифант и сообщил, что английские учёные, оказывается, провели серию экспериментов, которые окончательно их убедили в возможности создания атомной бомбы. Игнорировать подобные сообщения было нельзя, было принято решение о проведении соответствующих крупномасштабных работ.

Вспоминая об этом, Лео Сциллард говорил, что если бы конгресс знал истинную историю создания атомной бомбы, то он учредил бы специальную медаль за заслуги для иностранцев, сующих нос не в своё дело, и доктор Олифант был бы первым из награждённых.

2 декабря 1942 г. работа Ферми завершилась успехом. Атомный реактор был пущен; в нём возникла цепная реакция, регулируемая кадмиевыми стержнями (поглотители нейтронов), и тем самым доказывалась целесообразность уже начатых работ по созданию атомного оружия. Физики могли торжествовать: они сотворили машину для превращения элементов. Одно из названий атомного реактора такое и было — урановая машина. О её пуске сообщили по телефону шифром: «Итальянский мореплаватель только что прибыл в Новый Свет».

Очевидно, если бы не вторая мировая война, французы раньше всех могли бы прийти к практическому использованию атомной энергии. После того как группе Ф.Жолио-Кюри дали субсидии, ей предложили свои работы запатентовать. Жолио-Кюри возражал, считая, что взятие патентов — не в обычаях учёных, и ссылался на пример своей знаменитой тёщи Марии Кюри. Ему, однако, напомнили, что супругам Кюри открытый ими элемент радий пришлось выпрашивать по всему миру и что половину всего того количества, которым располагала их лаборатория, они получили в дар от женщин Америки. И Ф.Жолио-Кюри сдался — пять патентов были положены на хранение. Один из них был патентом на конструкцию урановой бомбы. После регистрации патентов работы были продолжены и обеспечены сырьём. Более того, обсуждалось даже предложение о проведении пробного взрыва урановой бомбы в Сахаре, и оно было в принципе одобрено. Помешала война и последующая оккупация Франции. Ф.Жолио-Кюри, оставшийся в своей лаборатории, делал всё возможное, чтобы затруднить немцам их продвижение к атомному оружию. Страх перед тем, что Германия овладеет им, во Франции и Англии, находящихся от неё в непосредственной близости и уже испытавших её удары, конечно, ощущался гораздо острее, чем в Америке. Вот почему миссия доктора Олифанта в Америку была такой успешной.

В самой Англии специалисты обратили внимание своего правительства на то, что немцы в оккупированной Норвегии пустили завод «Норск Хайдро» — для производства тяжёлой воды. Такая вода — эффективный замедлитель нейтронов. Было яснее ясного, что в Германии ведутся работы по созданию атомного оружия. Силы норвежского Сопротивления при поддержке Англии устроили диверсии на заводе и уничтожили большой запас тяжёлой воды. Завод всё же работал, и немцы настойчиво требовали увеличения его продукции. Налёты английской авиации на гидростанцию и завод электролиза уничтожили ещё некоторое количество воды и произвели сильные разрушения, но не ликвидировали предприятие. Немцы поспешили переправить завод в Германию. Ценный груз ожидался в Гамбурге, но он туда так и не прибыл, его потопили норвежские патриоты.

Достоверных сведений о том, чего достигла Германия в области атомного оружия, не было до конца войны. Были только предположения, догадки и косвенные данные вроде производства тяжёлой воды. Как только американские войска вступили на территорию фашистской Германии, начала усиленно работать секретная миссия «Алсос». Это была неслыханная по своим масштабам разведывательная операция по розыску и интернированию учёных, захвату оборудования, лабораторий, документов, сырья — всего, что имело отношение к атомному производству.

Всё это было позже, а пока в США шла лихорадочная работа гигантского масштаба и невероятной секретности.

Пустив в ход урановый реактор, Ферми, по выражению известного американского физика Р.Лэппа, открыл дверь в атомный век.

Почему же реактор заработал, ведь его заполнял природный уран, в котором основная масса состояла из неделящегося под воздействием нейтронов урана-238? Каким образом этот неактивный изотоп не заглушал реакции? Первый ответ на этот вопрос уже был дан выше, где говорилось о замедлении нейтронов. Второй заключается в том, что при делении ядра урана-235, как было выяснено ещё Ф.Жолио-Кюри, выбрасывался не один нейтрон, а примерно три. Для самоподдерживающейся реакции «уранового пожара» этого достаточно, хотя сам вопрос создания взрывчатого материала для атомной бомбы таким образом не решался. Необходимо было полностью разделить изотопы урана-238 и 235 и последний использовать в качестве делящегося материала. Для решения такой очень сложной задачи нужны были столь же сложные и невероятно громоздкие технологические установки. В них весь уран переводился в газообразное соединение — фтористый уран, а затем этот продукт многократно прогонялся через полупроницаемые перепонки, в результате чего газовая смесь всё более и более обогащалась соединением урана-235. Это так называемый диффузионный метод. Применялся и другой метод — электромагнитный.

Путь этот к накоплению взрывчатого материала был, однако, не единственный. Второй совершенно не предусматривал получения урана-235.

Ещё до того, как Ферми пустил в ход урановый реактор, американские физики Ф.Абельсон и Э.Макмиллан, использовав остроумную методику, выяснили, что уран превращается (после бета-излучения) в элемент № 93, тот самый, который причинил столько волнений Ферми и другим европейским физикам. Теперь его открытие не вызывало сомнений, и он получил имя нептуний. Этот первый заурановый элемент оказался очень недолговечным, примерно через две недели от него ничего не оставалось. Самопроизвольно распадаясь, он превращался в следующий заурановый элемент № 94 — плутоний, по своим ядерным характеристикам схожий с ураном-235. Таким образом, название уранового реактора как машины для превращения элементов вполне оправдано: с помощью этого устройства в больших количествах стали получать не какие-нибудь, а такие элементы, которые до того не значились в числе «жителей» периодической системы.

В «Манхеттенском проекте», как условно были названы работы по созданию атомной бомбы, взрывчатый материал получали на разных заводах в виде урана-235 и плутония.

Европейская война была завершена, и гитлеровская Германия пала под ударами Советских Вооружённых Сил и союзных войск. До использования атомного оружия в этой части земного шара не дошло. Япония изнемогала в борьбе и была близка к капитуляции. Тем не менее американские политики, исходя из своих далеко идущих планов, решили продемонстрировать силу своего оружия перед всем миром.

6 августа 1945 г. на японский город Хиросиму одиночный американский самолёт сбросил бомбу, изготовленную из урана-235, и более 140 тысяч человек мирного населения было убито и ранено. А через три дня испепеляющая смерть обрушилась на другой японский город — Нагасаки. Её принёс не уран, а новый, созданный человеком химический элемент — плутоний. Спустя некоторое время ещё несколько тысяч человек умерло от последствий этой варварской акции.

Вот во что воплотилась, казалось бы, наивная и фантастическая мечта алхимиков.