Ядерное оружие Третьего рейха. Немецкие физики на службе гитлеровской Германии

Этот эксперимент был последним из опытов «предварительного этапа», пока не завершилось строительство «Вирус-Хауса» в Далеме. Строительство осуществлялось под руководством доктора Карла Вирца; лаборатории представляли собой несколько деревянных бараков, расположенных на территории Института изучения проблем биологии и вирусологии, неподалеку от здания Института физики. Такое расположение сами создатели объекта объясняли необходимостью избежать заражения всей территории института в случае вредных выбросов. Достопримечательностью «Вирус-Хауса» являлось наличие в заднем здании лаборатории ямы в форме круга глубиной около двух метров, обложенной кирпичом. Снабжение электричеством и водой осуществлялось из лаборатории по выращиванию вирусов. Реакторная яма при необходимости могла заполняться водой, которую предполагалось использовать в качестве защиты и отражателя. Если же было нужно осушить яму, эта операция с помощью мощных насосов заняла бы не более одного часа. Для установки и извлечения реактора из ямы служил подъемный кран. В других помещениях находились насосы, лабораторное и тестирующее оборудование, а также герметичное хранилище для источника нейтронов. Возможность того, что, вопреки всем расчетам, реактор выйдет из-под контроля, почти исключалась. Создатели лаборатории считали, что ее можно игнорировать. Крыша и стены были выполнены из легких и хрупких материалов и вряд ли могли бы спасти здание и людей, произойди серьезная авария. Играя в такую же опасную игру, американцы предпочитали размещать свои реакторы в малонаселенных районах страны, в то время как их немецкие коллеги расположили «Вирус-Хаус» в самом сердце Берлина.

Берлинские ученые хорошо представляли себе опасность, связанную с работами с оксидом урана: даже не будучи радиоактивным, этот материал обладал высокой токсичностью, поэтому прежде, чем войти в лабораторию, физики облачались в защитные комбинезоны, обувь, перчатки и дыхательные маски. Именно здесь в декабре 1940 года профессор Гейзенберг, доктор фон Вайцзеккер, доктор Вирц и еще двое ученых приступили к возведению первого в Германии уранового реактора. Он представлял собой крытый алюминиевый цилиндр высотой и диаметром примерно 1,4 метра. Его установили вертикально и заполнили толстыми слоями оксида урана, отделенными друг от друга тонким слоем твердого парафина, используемого в качестве замедлителя. Затем цилиндр поместили в реакторную яму, которую потом заполнили водой, выполнявшей роль отражателя нейтронов и защитного слоя. Никто не знал, чего ожидать. Согласно последним расчетам К. Хоккера, оксид урана способен вырабатывать нейтроны даже при использовании в качестве замедлителя одного парафина. Источник нейтронов в специальной трубке был помещен внутрь реактора. При этом осуществлялся повсеместный контроль уровня нейтронов. В результате не удалось наблюдать ничего похожего на цепную реакцию: выделенные радий-бериллиевым источником нейтроны были поглощены реактором и потеряны. Через несколько недель эксперимент повторили в несколько измененном виде: свыше шести тонн (около 6800 килограммов) оксида урана разместили в двух блоках внутри реактора. При этом в качестве замедлителя, как и прежде, использовали парафин. Однако и такая конфигурация не дала лучших результатов, чем в декабре 1940 года. Гейзенберг пришел к выводу, что использование обычной воды и парафина не приведет к цепной реакции при использовании в качестве «топлива» оксида урана. Возможно, эксперимент удался бы с применением тяжелой воды, запасов которой было явно недостаточно для проведения опытов такого масштаба.

Профессор Гейзенберг продолжал разрываться между Лейпцигом и Берлином. В Лейпциге профессор Допель также приступил к опытам с использованием оксида урана и парафина. Разница состояла в том, что Допель расположил оксид урана в четыре уровня концентрическими кругами, каждый из которых был отделен от следующего слоем алюминия. Этот сложный эксперимент был запланирован еще в июне 1940 года. Однако Допелю повезло не больше, чем его коллегам в Берлине. Наиболее обнадеживающих результатов добилась группа профессора Вальтера Боте и доктора Фламмерсфельда из Гейдельберга. Ученые смешали в керамической цистерне около 4,5 тонны оксида урана с водой (435 кг) и с высокой степенью точности рассчитали величину роста нейтронов и «резонансную абсорбцию» [9] . Кроме того, они пришли к теоретическому выводу о возможности применения в урановом реакторе в качестве «топлива» оксида урана при условии использования в качестве замедлителя тяжелой воды.

9

Резонансными называются нейтроны с энергиями от 0,5 до 1000 электронвольт. Для средних и тяжелых ядер эффективное нейтронное сечение (о нем уже говорилось) достаточно велико, и график зависимости этого сечения от энергии представляет собой по внешнему виду «частокол», то есть большое число острых резонансных всплесков. Важную роль в исследовании этой зависимости сыграли проводившиеся в 1936 году в СССР работы выдающегося физика-экспериментатора Л.В. Шубникова (1901 1937), расстрелянного в годы ежовщины, в которых также участвовал молодой И.В. Курчатов.

НЕМЕЦКАЯ ЯДЕРНАЯ ПРОГРАММА В 1940 ГОДУ

На карте показано расположение основных исследовательских и промышленных центров, задействованных в атомном проекте после захвата Франции

Несмотря на то что ученые не проявляли в этом направлении никакой инициативы, военные сами по себе решили, что окончательные решающие эксперименты будут ставиться с использованием не оксида урана, а металлического урана. Берлинская фирма «Auer», поставлявшая для экспериментов очищенный оксид урана, не обладала возможностями получения металлического урана. Поэтому доктор Риль обратился за содействием к доктору Бэрвинду, возглавлявшему компанию «Degussa», обладавшую большим опытом и авторитетом в области получения редкоземельных металлов, включая золото и серебро. Фирмы «Auer» и «Degussa» сотрудничали с 30-х годов. В те времена «Degussa» нашла способ получения тория из его оксида; в то же время «Auer» позаботилась о коммерческом применении этого мягкого металла. На Гутлейтштрассе во Франкфурте «Degussa» открыла филиал по получению металлического тория под руководством доктора Вайсса. В период с 1938-го до конца 1940 года на предприятии было выделено свыше 200 килограммов тория.

Вскоре подтвердилась важность этого небольшого предприятия, поскольку именно здесь был размещен очень срочный заказ по производству значительного количества металлического урана, получившего кодированное название «особый металл». В силу схожести технологий компания «Degussa» могла работать на оборудовании, предназначенном для получения тория. Поставляемый фирмой «Auer» оксид урана помещался в аргон и обрабатывался при температуре 1100 градусов жидким хлоридом кальция. Полученный металлический уран содержал значительное количество примесей, и все же немцы предпочитали эту реакцию более распространенным в электрометаллургии других стран способам. Они считали, что их путь позволяет получать уран более высокой чистоты. На самом деле уран получался «грязнее», чем исходный оксид урана, за счет захвата различных примесей из применявшегося в реакции кальция. В течение последующих месяцев в Германии пытались другими способами получить более чистый уран, например с помощью электролиза. Доктору Хорсту Коршингу из Берлина удалось таким путем выделить небольшое количество урана, однако, по мнению доктора Риля из компании «Auer», этот способ был неэкономичен.

Весь произведенный в Германии во время войны уран был получен на предприятии во Франкфурте. К концу 1940 года в штаб-квартиру фирмы «Auer» в Берлине поступили первые 280,6 килограмма этого чрезвычайно опасного тяжелого черного порошка, предназначенного для использования в германской ядерной программе.

Если читателю покажется, что в данной главе автор книги уделяет чересчур много внимания процессу получения урана, ему следует уяснить тот факт, что уже в конце 1940 года Германия имела возможность производить примерно одну тонну металлического урана в месяц. В то же время в Америке этого металла практически не было до конца 1942 года, когда первые шесть тонн были получены на предприятии, созданном Энрико Ферми. К тому времени, когда это предприятие было построено в Чикаго, компания «Degussa» успела получить свыше семи с половиной тонн урана. 99 процентов этого количества было использовано в рамках ядерной программы. Таким образом, Германию подвела не ее промышленность, а ее ученые. Далее будет рассказано о постигшей их в 1941 году неудаче.

Глава 4 Ошибка в расчетах

В 1941 году германская научная мысль в области атомных исследований переживала кризис. В те самые месяцы, когда стало ясно, что Германия терпит поражение в Битве за Англию, немецкие ученые начали понимать, что их надеждам на легкое получение изотопа урана-235 не суждено осуществиться. Они всеми силами пытались бороться со все новыми и новыми проблемами, обрушивавшимися на них после того, как в Гейдельберге была теоретически доказана невозможность применения графита в качестве замедлителя в ядерном реакторе. Если в 1940 году казалось, что военное использование ядерной энергии – дело ближайших месяцев, уже в начале 1941-го физики-ядерщики почувствовали себя путниками, которые из последних сил преодолевали трудный путь и, дойдя до конца дороги, увидели, что на самом деле она только начинается и перед ними вновь расстилается бесконечно длинная лента.

Объявленные в январе 1941 года выводы о применении графита на самом деле были ошибочными. Около семи месяцев назад ответственный за вычисление ядерной константы для графита физик проделал простой эксперимент и определил длину диффузии [10] для термальных нейтронов в углероде как 61 сантиметр. Профессор Боте искренне верил в то, что после удаления из материала примесей эту цифру удастся увеличить до более чем 70 сантиметров. Все это доказывало, что чистый графит в силу своей дешевизны и широкого распространения был идеальным материалом для использования в качестве замедлителя в урановом реакторе. Управлением вооружений армии был подготовлен контракт на поставку в рамках ядерной программы значительного количества углерода высочайшей чистоты.

10

Длиной диффузии в ядерной физике называется основная характеристика процесса диффузии нейтронов. Если Rg среднеквадратичное расстояние, на которое уходит в веществе тепловой нейтрон от места рождения до места поглощения, то величины L и Rg связаны соотношением L² = Rg².

Однако к январю 1941 года были завершены контрольные расчеты ученых Гейдельбергского института. Они показали, что в предыдущие расчеты где-то закралась ошибка. При использовании компанией «Siemens» очищенного графита в 110-сантиметровом реакторе сферической формы выяснилось, что вместо ожидаемых 70 сантиметров длина диффузии едва ли превышает 35 сантиметров. Профессор Боте сделал вывод о том, что, если не удастся достичь значительного обогащения урана-235, применяемого в реакторе, чистый графит не сможет быть использован как замедлитель. Он не очень верил в то, что на результатах эксперимента могло сказаться наличие в графите примесей в виде водорода или азота [11] .

11

Сейчас кажется вероятным, что причиной такой низкой длины диффузии были компоненты воздуха, скорее всего азот. И вплоть до 1945 г., когда в ходе эксперимента «B-VIII» в Хайгерлохе в качестве отражателя нейтронов были использованы графитовые блоки, ученые не догадывались, что расчеты Боте были неверны. Менее значительной ошибкой было определение Фольцем и Хакселем сечения захвата медленных нейтронов природным ураном в пределах 0,1 0,2 х 10⁴ см, в то время как на самом деле это значение составляет 3,5 х 10⁴ см. Это несоответствие было выявлено и учтено в дальнейшем. Кроме того, к нему было принято добавлять величину, которую назвали сечением «дополнительного поглощения», составлявшего 2,8 х 10⁴ см. Этот пример является свидетельством «творчества» ученых, возможно допустимого во время войны.

В предыдущем году профессор Йоос из Геттингена попытался произвести графит высокой чистоты без примесей бора, которых было много в предыдущих образцах. С этой целью он нагревал различные углеводороды, такие как сахар и картофельный крахмал. Однако эксперименты Боте продемонстрировали невозможность применения углеводорода в качестве замедлителя, поэтому Йоос прекратил свои опыты. Примерно такую же ошибку в Кембридже совершили ученые – эмигранты из Франции X. Халбан и Л. Коварски, которые за год до этого помогли союзникам овладеть мировыми запасами тяжелой воды: они проводили эксперименты с использованием очищенного графита, пытаясь достичь цепной реакции. Как и у немцев, результаты были неутешительными.

Если бы результаты работы немецких физиков не повлияли на решимость профессора Пауля Гартека в Гамбурге продолжать свои опыты с использованием двуокиси углерода и оксида урана, начатые в 1940 году, возможно, тогда у них, наконец, появились бы точные данные о поглощении нейтронов чистым углеродом. К сожалению, досадная ошибка Боте так и не была оспорена его коллегами. И в то время как в Германии все отказались от мысли применения углеродных замедлителей, построенный два года спустя в США первый урановый реактор работал именно с графитовыми замедлителями; предприятия по производству плутония в Ханфорде, США, также использовали графитовые замедлители. Что касается германской атомной программы, она теперь полностью зависела от тонкой струйки тяжелой воды, поступавшей в рейх с предприятия из Веморка близ Рьюкана.