Атомный проект. История сверхоружия

Тут эстафету подхватил Джеймс Чедвик – тот самый английский физик, который в 1932 году открыл нейтрон. Через три года после своего выдающегося открытия Чедвик перебрался из Кембриджа в Ливерпуль, где занялся сооружением первого британского циклотрона. К началу 1939 года на циклотроне было проведено немало работ, и Чедвику удалось сколотить неплохой коллектив экспериментаторов. Среди них был талантливый молодой поляк Джозеф Ротблат, первым осуществивший в Варшаве эксперименты по ядерному делению.

Мысль о том, что цепная реакция деления урана может послужить основой для создания бомбы, возникла у Джеймса Чедвика поздней осенью 1939 года. Как он думал, реакция, распространяемая медленными нейтронами (единственный вариант, рассматривавшийся в то время), способна вызвать эффект, лишь ненамного отличавшийся от того, который дает сильно взрывчатое химическое вещество. Поэтому, чтобы изготовить новый вид оружия, нужно получить цепную реакцию, инициируемую быстрыми нейтронами. Такая реакция казалась невозможной в природном уране, хотя бы и в большом объеме. Чедвик решил исследовать уран-235, установив раз и навсегда его эффективное поперечное сечение на быстрых нейтронах.

Серию экспериментов на циклотроне он начал в январе 1940 года. Непосредственной работой занимался Джозеф Ротблат. После запуска циклотрона записывающие приборы показали ежеминутное возникновение нескольких перемежающихся всплесков на кривой. Затем настала очередь урана-235. Разница в результатах оказалась громадной: аппаратура записала очень высокую активность. Атомы урана-235 расщеплялись со скоростью, которая в 10 000 раз и более превосходила скорость деления атомов урана-238. Теперь оставалось определить, какая критическая масса урана-235 потребуется для того, чтобы вызвать атомный взрыв.

Эмигрантская бомба

Одной из ключевых фигур британского атомного проекта стал знакомый нам австрийский физик Отто Фриш – племянник Лизы Мейтнер, вместе с которой он открыл распад ядра урана под воздействием нейтронов. Зимой 1939 года Отто Фриш жил с семьей в Стокгольме, но чувствовал, что мирная жизнь заканчивается. Росло чувство незащищенности. Когда в лабораторию Нильса Бора в Копенгагене приехали британец Патрик Блэкетт и австралиец Марк Олифант, Фриш попросил их о помощи. Олифант очень участливо отнесся к просьбе Фриша и вскоре прислал ему письмо, в котором приглашал его посетить Бирмингем летом 1939 года. Спокойствие и уверенность Олифанта весьма впечатлили Фриша, который никак не мог выйти из депрессии, и он не стал ждать еще одного приглашения. Упаковав два маленьких чемодана, он выехал в Англию в качестве туриста.

Австралиец устроил Фриша на должность младшего преподавателя. Тот работал со студентами не на постоянной основе, поэтому, имея достаточно свободного времени, мог снова заняться проблемой деления ядер. Используя лабораторию в те моменты, когда она не была занята, Отто Фриш провел несколько небольших экспериментов по обогащению урана-235 методом термодиффузии. Прогресс, однако, был невелик.

Тем временем к Фришу обратилось Британское химическое общество с просьбой написать для них обзорный материал по достижениям в области изучения атомов. Рассказывая в своей статье о расщеплении ядра, Отто Фриш повторял общепринятое на тот момент мнение: если однажды и удастся осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию, то с учетом того, что в ней должны использоваться медленные нейтроны, взорвать атомную бомбу будет практически невозможно. Но, закончив статью, он задумался. Основная проблема на данный момент заключается в медленных нейтронах. Ядро урана-238 всегда захватывает быстрые нейтроны, имеющие определенную «резонансную» скорость; для реакции же с природным ураном необходимы исключительно медленные нейтроны. Если построить цепную реакцию на медленных нейтронах, то высвобождаемая энергия нагреет уран и, возможно, расплавит его еще до того, как он сможет взорваться. По мере нагревания урана в реакцию будет вступать всё меньше нейтронов, и в итоге она попросту затухнет.

Все ведущие физики пришли к такому же мнению. Однако Фриша очень интересовал ответ на вопрос: что все-таки произойдет, если использовать быстрые нейтроны? Вдруг для цепной реакции на быстрых нейтронах окажется достаточно меньшего количества урана-235, чем считалось прежде?

Отто Фриш поделился своими мыслями с Рудольфом Пайерлсом, который, как мы помним, в июне 1939 года вывел формулу расчета критической массы материала, необходимой для поддержания цепной ядерной реакции. Пайерлс использовал свою формулу для расчета смеси изотопов с большим содержанием урана-238. Фришу необходимо было проводить вычисления другого порядка – с участием чистого урана-235 в присутствии не медленных, а быстрых нейтронов. Проблема заключалась в том, что никто пока не знал, какой должна быть доля урана-235, чтобы обеспечить успешное участие в реакции быстрых нейронов. А не знали этого ученые потому, что пока еще никому не удалось получить достаточное количество урана-235 в чистом виде.