Ядерное оружие Третьего рейха. Немецкие физики на службе гитлеровской Германии

Свойства гексафторида урана подробно описал профессор О. Руфф. 25 сентября 1939 года, когда Польша уже была захвачена немецкими войсками, Гартек написал дружеское послание Руффу, в котором как ученый ученого попросил его помочь получить требуемое количество этого газа. Через две недели германский химический концерн «И.Г. Фарбен» согласился произвести необходимое количество нужного Гартеку вещества. Была достигнута договоренность о передаче концерну для этих целей 100 граммов урана. В лаборатории Гартека в Гамбурге уже были подготовлены основные детали сепаратора Клузиуса – Диккеля.

В тот день, когда Гартек написал профессору Руффу, в Лейпциге профессор Гейзенберг вместе с доктором Багге работали над аппаратурой, позволявшей подсчитать количество нейтронов, освобожденных в результате реакции деления урана. Когда днем позже, 26 сентября, Гейзенберг отправился в Берлин для участия во второй конференции физиков-ядерщиков в управлении вооружений армии, он уже понимал, что существует два различных способа освобождения энергии уранового ядра. Первый предполагал поместить строго определенную массу урана в нечто, представляющее собой «урановую топку». При втором способе атомная энергия освобождалась путем взрыва. Первый способ был основан на получении смеси урана с некоторыми другими веществами, играющими роль замедлителей быстрых нейтронов, полученных в процессе реакции деления, без их поглощения. По своим свойствам нейтроны, обладавшие определенной энергией, особенно легко поглощались ураном-238. Поэтому для того, чтобы не потерять их на последующих стадиях цепной реакции, их энергию следовало «погасить», для чего и применялись вещества, получившие название «замедлители».

Второй, «взрывной» способ предполагал использование редкого изотопа уран-235, который, по мнению ученых, в процессе деления выделял так называемые «тепловые нейтроны».

В Гамбурге профессор Гартек обсудил со своим коллегой доктором Гансом Суэссом, внуком знаменитого австрийского геолога, создание уранового реактора. Суэсс предложил использовать в качестве замедлителя так называемую тяжелую воду. Гартек был поражен совпадением: пять лет назад он работал под руководством Резерфорда в Кэвендишской лаборатории, и первым заданием, полученным молодым Гартеком от великого англичанина, было производство небольшого количества тяжелой воды. Так случилось, что именно та тяжелая вода была использована М. Олифантом, Гартеком и Э. Резерфордом для обоснования термоядерной реакции, процесса, который лег в основу создания водородной бомбы.

Тогда Гартек сам разработал и построил ячейку для электролиза очень маленького размера, около 30 сантиметров высотой, через которую он в течение нескольких недель пропускал электрический ток. Затем из многих литров воды он получил то небольшое количество, которое, как оказалось, было почти чистой тяжелой водой. А сейчас Суэсс предлагает использовать тяжелую воду в ядерном реакторе? Гартек прекрасно понимал, что для реактора потребуется несколько тонн жидкости, а не те жалкие несколько кубических сантиметров, которые ему тогда удалось получить. Разве правительство рейха пойдет на то, чтобы финансировать проект, требующий таких огромных затрат? И все же перед тем, как отправиться в Берлин на конференцию, он подготовил специальный доклад под названием «Расположение урана и тяжелой воды на разных уровнях для предотвращения резонансного поглощения ураном-238». Самым важным в сделанных Гартеком выводах было то, что в «урановой топке» или «реакторе» урановое топливо и замедлитель, идеальными свойствами которого обладала тяжелая вода, не должны были смешиваться. Они должны были быть физически отделены друг от друга путем размещения их на разных уровнях реактора.

Таким образом, на второй конференции перед немецкими физиками были поставлены две главные задачи: во-первых, им предстояло разработать процесс получения в больших количествах урана-235. Во-вторых, следовало определить эффективное сечение^[5] для всех веществ, которые могли быть использованы в качестве замедлителей для обеспечения выполнения реакции при воздействии на урановое топливо медленными нейтронами.

Перед профессором Гейзенбергом была поставлена задача провести теоретические исследования возможности цепной реакции урана в зависимости от характеристик рассеивания нейтронов при расщеплении ядер урана. Доктор Багге вернулся в Лейпциг, где проводил исследования эффективного сечения столкновения для ядер тяжелого водорода. Профессору Гартеку поручили продолжать попытки извлечения изотопа урана-235 с помощью метода тепловой диффузии Клузиуса – Диккеля. Кроме того, он должен был определить зависимость увеличения количества нейтронов от конструкции уранового реактора. Каждый ученый получил свою часть задания из общей программы исследований, разработанной за несколько дней до конференции Дибнером и Багге.

Начиная с 20 сентября 1939 года программа называлась «Предварительный рабочий план проведения первоначальных экспериментов в области использования реакции деления атомного ядра».

Каждого ученого заверили, что он получит необходимые ассигнования на проведение таких работ.

В то же время профессор Шуман заявил о намерении военных переподчинить себе Институт физики имени кайзера Вильгельма в Берлин-Далеме и сделать его рабочим центром для деятельности группы исследований в области ядерной физики. Все ученые, привлеченные к работам в рамках проекта, должны были перейти в этот институт и работать вместе.

Сам по себе план был необходимым и логичным. Однако он неожиданно столкнулся с сопротивлением самих ученых, многие из которых предпочитали остаться звездами первой величины в своих провинциальных институтах, нежели превратиться в «малые планеты в сверхгалактике Берлина». Один за другим они давали согласие на участие в работах над проектом, но наотрез отказывались переезжать в Берлин. Например, Гартек писал военному руководству: «Мне придется остаться в Гамбурге. Но я могу каждую неделю приезжать в Берлин на один-два дня». Гамбург находился в двух часах езды от Берлина, чего нельзя было сказать о таких более отдаленных исследовательских центрах, расположенных в Гейдельберге, Мюнхене или Вене. В группу ведущих физиков, которые все-таки собрались в Берлине, вошли такие ученые, как фон Вайцзеккер, Вирц, Бопп, Борман и Фишер.

Мотивы, по которым эти люди согласились работать над атомным проектом, совершенно не совпадали со стремлениями их зарубежных коллег. Наряду с такими факторами, как естественное любопытство и стремление быть поближе к месту, где делаются «мировые открытия», были и другие причины. Маттаух объясняет это так: «Мы были рады случаю спасти себя от призыва в армию, а также предоставленной нам возможности продолжать научные исследования в привычной нам области и привычными методами». С ним соглашается профессор фон Лауэ: отныне он считал эту работу своей самой важной задачей. Как и другие молодые физики, фон Вайцзеккер признает, что в 1939 году он принял это предложение военных, потому что участие в других научных проектах не смогло бы спасти его от военной службы.

Право на производство нескольких тонн очищенного оксида урана получила компания «Auer», одна из берлинских фирм с безупречной репутацией в области получения редкоземельных металлов. В частности, компания обладала большим опытом получения из моназита соединений тория, который затем использовался в производстве знаменитых калильных сеток для газовых фонарей. Необходимость изоляции радиоактивного мезотория при проведении промышленных работ делала необходимым иметь высокопрофессиональный радиологический отдел, который организационно входил в центральную лабораторию компании. Во главе лаборатории стоял тридцативосьмилетний химик, уроженец Санкт-Петербурга доктор Николай Риль. Ученик О. Гана и Л. Мейтнер, Риль и сотрудники его лаборатории осуществляли контроль всей выпускаемой фирмой «Auer» продукции.

После оккупации Чехословакии компания «Auer» являлась одним из первых немецких предприятий, начавших промышленную разработку урановых рудников в Иоахимштале. На этом предприятии были созданы небольшие запасы урана в виде неочищенного ураната натрия и оксида урана. Эти вещества были получены в качестве побочного продукта при выделении радия. Доктор Риль сознавал важность урановой программы и лично контролировал получение и хранение материалов. Он занимал пост директора лаборатории до самого конца войны.

Через несколько недель после получения заказа от военного ведомства Риль создал в Ораниенбурге небольшое предприятие по добыче урана с производительностью около одной тонны очищенного оксида урана в месяц. Несмотря на то что компании «Auer» удавалось производить очистку оксида урана от примесей редкоземельных металлов, в настоящее время ученые считают, что в конечном продукте недопустимо высоким оставалось содержание бора, обладающего способностью активно поглощать нейтроны. Тем не менее к началу 1940 года военные получили от предприятия первую тонну чистейшего оксида урана.

До этого времени считалось, что все запасы этого вещества находились в руках профессора Эсау. За два месяца до начала конференции в Берлине институты физики и химии в Далеме не могли приступить к экспериментам, так как не имели в своем распоряжении ураносодержащих веществ. Конечно, этими материалами располагал профессор Эсау, получивший их в министерстве экономики Германии еще до начала войны. Получив от военного ведомства распоряжение возвратить эти запасы, профессор, который уже начал считать их своей собственностью, пришел в негодование. Еще большее недовольство вызвало указание об отзыве в Берлин целого ряда ведущих ученых из Геттингена. И все же распоряжение об откомандировании в столицу таких физиков, как Иоос, Ганле и Маннкопф (профессора Ганле при этом буквально выдернули из кровати посреди ночи), Эсау был склонен рассматривать как всего лишь неблагоприятное стечение обстоятельств. Он немедленно отправил Ганле телеграмму, которая, впрочем, не дошла до адресата, так как была задержана военной цензурой. Исследовательская группа из Геттингена практически прекратила свое существование.

В середине ноября Эсау обратился с жалобой к своему руководителю в министерстве образования профессору Ментцелю. Однако тот отказал ему в поддержке, заявив, что в министерстве вооружений работают над урановой программой уже в течение нескольких лет и Эсау попросту украл идею у военных. Потрясенный Эсау обратился с письмом напрямую к генералу Беккеру. Он напомнил генералу, что «сама проблема возникла не ранее января этого года», поэтому заявление Ментцеля просто нелепо. Эсау настаивал на том, что не важно, какая именно организация встанет во главе программы: достаточно просто обеспечить четкое взаимодействие между ее участниками. К тому же только ему, Эсау, и никому другому, принадлежала инициатива о начале работы над урановой программой. «Коварный захват его детища военными», по словам оскорбленного профессора, создавал серьезную угрозу работе группы ученых-физиков имперского исследовательского комитета (директором которого являлся не кто иной, как Ментцель) и репутации самого Эсау как главы отдела физики. И все же на Беккера эти аргументы не подействовали. Запасы урана были изъяты у Эсау и переданы в распоряжение соответствующих научных институтов, которые наконец приступили к экспериментальным исследованиям.

В начале декабря, встретив в коридоре Лейпцигского института доктора Эриха Багге, профессор Гейзенберг, не в силах скрыть своего волнения, пригласил его к себе в кабинет. До этого момента Гейзенберг занимался проблемой стабилизации цепной реакции медленных нейтронов. Профессору удалось решить ее. Написав мелом на доске несколько уравнений, Гейзенберг объяснил Багге, что по мере увеличения температуры в ходе реакции уменьшается эффективное сечение урана, а это значит, что по достижении определенной температуры автоматически произойдет замедление хода реакции. Возможность управления реакцией зависит от характеристик реактора, то есть от его размеров и того, достигается ли в нем температура в несколько сот или несколько тысяч градусов. В качестве подтверждения своих слов Гейзенберг привел пример: если 1,2 тонны урана смешать с тонной тяжелой воды и поместить в сферическое тело радиусом 60 сантиметров, которое, в свою очередь, погрузить в воду, которая выполняет функции защитного слоя, стабилизация реакции произойдет при температуре 800 градусов по Цельсию.

6 декабря профессор Гейзенберг, отчитываясь перед военными, заявил, что, если принять предложение Гартека и отделить уран от замедлителя, удастся добиться значительного уменьшения размера реактора. Такой реактор будет выделять максимальное расчетное количество энергии до тех пор, пока небольшая часть урана не вступит в реакцию или не будет настолько зашлакована продуктами деления, что произойдет падение температуры^[6].

Последняя часть отчета Гейзенберга свидетельствует о том, каких значительных успехов успели достичь немецкие ученые всего за два месяца работы в рамках атомной программы:

«Заключение: открытая Ганом и Штрасманом реакция деления урана дает возможность получения огромного количества энергии. Самым надежным методом получения такой энергии является использование в реакторе обогащенного урана-235. Чем больше будет степень обогащения этого изотопа, тем меньше будут размеры реактора. Обогащение урана-235 является единственным способом уменьшения размеров реактора примерно до объема одного кубического метра.

Только таким способом возможно производство взрывчатого вещества, мощность которого во много раз превосходит все известные в настоящее время аналоги.

В то же время для производства энергии может быть использован и обычный уран, без применения обогащенного урана-235. При этом к урану следует добавлять другие вещества, применение которых ведет к замедлению процесса выделения ураном нейтронов без их поглощения. Обычная вода для этого не подходит. Рекомендуется применение тяжелой воды и графита высшей очистки. Малейшее загрязнение воспрепятствует процессу выделения энергии».

Кроме того, профессор Гейзенберг предупреждал, что реактор сам по себе является источником вредного нейтронного и гамма-излучения.

По своим свойствам упомянутая уже несколько раз тяжелая вода идеально подходит для замедления быстрых нейтронов до такой энергии, которая не позволяет им быть захваченными ураном-238 и в то же время обеспечивает эффективную реакцию деления урана-235. Как видно из самого названия этого вещества, оно примерно на 11 процентов тяжелее обычной воды, поскольку атомы водорода в нем заменены атомами тяжелого водорода, или дейтерия, и его формулой является не Н₂О, а D^. Ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, в отличие водорода, ядро которого состоит всего из одного протона. Тяжелая вода замерзает при температуре 3,81 градуса; температура кипения этого вещества при нормальном давлении составляет 101,42 градуса, а не 100, как у обычной воды. По мере уменьшения давления разница еще более возрастает.

В то время коммерческим производством тяжелой воды занималась всего одна фирма в местечке Веморк, недалеко от города Рьюкан в Южной Норвегии. Тяжелая вода производилась в качестве побочного продукта при электролизе водорода. В 1932 году американский ученый Ури доказал, что выделяемый в процессе электролиза воды водород содержит в 5–6 раз меньше дейтерия, чем вода, которая остается в секциях батареи. И действительно, если на первом этапе процесса гидролиза 100 тысяч галлонов (примерно 450 тысяч литров) разлагаются на водород и кислород, в батарее остается около одного галлона, который примерно на 99 процентов состоит из тяжелой воды. Этот принцип был использован в работе предприятия в Веморке. В гранитном здании электростанции, построенной у водопада Рьюкан– Фосс, были установлены генераторы немецкого производства мощностью 120 тысяч киловатт. Большая часть этой энергии поступала в расположенное рядом здание, где происходил процесс электролиза воды.

Если бы была применена описанная выше упрощенная схема получения тяжелой воды, то значительная часть тяжелого водорода была бы просто потеряна на ее последующих этапах. Однако начиная с 1934 года удалось оптимизировать три последних этапа реакции электролиза, состоящей из девяти этапов: выделенный водород связывался с кислородом, образуя воду, которая вновь использовалась для получения тяжелой воды. Свободный водород, выделенный в ходе первых шести этапов, использовался для получения искусственного аммония, который, в свою очередь, применялся для получения удобрений. В результате девяти этапов реакции получалась вода с содержанием дейтерия около 13 процентов. Далее в результате разработанного норвежским профессором Лейфом Тронстадом и доктором Иомаром Бруном процесса концентрация тяжелой воды доводилась до 99,5 процента. После оккупации Норвегии посланный на предприятие немецкий ученый описал эту технологию как «шедевр мысли норвежских ученых и инженеров».

Предприятие в Веморке начало работать в конце 1934 года и до 1938 года произвело всего 40 килограммов тяжелой воды. До конца 1939 года ежемесячный выпуск составлял всего 10 килограммов. В то же время нигде больше немцы не располагали предприятиями по производству тяжелой воды. Их самое крупное предприятие по электролизу располагало генераторами мощностью всего 8 тысяч киловатт. Теперь приходилось лишь надеяться на то, что норвежцы согласятся сотрудничать с ними и окажут помощь в снабжении этим важным веществом.

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».