Ричард Роудс. Создание атомной бомбы. М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2020. Перевод с английского Дмитрия Прокофьева. Cодержание
Британское химическое общество предложило Фришу написать для своего ежегодного отчета обзор достижений экспериментальной ядерной физики. «Мне удалось написать эту статью в моей однокомнатной квартире, в которой днем, при постоянно горящем газовом камине, температура поднималась до +5,5°... а ночью в стакане, стоявшем у меня на тумбочке, замерзала вода». Он надевал зимнее пальто, пододвигал свой стул поближе к огню и ставил пишущую машинку себе на колени. «Тепловое излучение горящего газа стимулировало приток крови к моему мозгу, и статья была готова к сроку».
Фриш упоминал в своей обзорной статье возможность цепной реакции, но лишь для того, чтобы исключить ее из рассмотрения. Он основывал свой вывод на утверждении Бора, что в природном уране 238U должен рассеивать быстрые нейтроны, замедляя их до энергий резонансного захвата; тех немногих из них, которые избегут захвата, считал он, будет недостаточно для возбуждения цепной реакции на медленных нейтронах в малочисленном 235U. В любом случае, отмечал Фриш, медленные нейтроны смогли бы вызвать лишь взрыв умеренной силы; их торможение и поиски ядра занимают слишком много времени. Впоследствии он объяснял:
«Этот процесс должен занимать время порядка заметной части миллисекунды [т. е. тысячной доли секунды], а развитие цепной реакции в целом — несколько миллисекунд; после нагревания материала до температуры парообразования он должен начать расширяться, и реакция должна прекратиться, так толком и не развившись. Такое устройство могло бы взорваться как кучка пороха, но не сильнее, и этим просто не имело смысла заниматься».
Поскольку Фриш не так давно выехал из нацистской Германии, утверждение о невозможности взрывной цепной реакции его успокаивало. Оно опиралось на работу такого крупного теоретика, как Нильс Бор. Фриш с удовольствием опубликовал его.
Это утверждение возникало и раньше, и самым заметным было его появление в письме члена британского парламента Уинстона Черчилля к министру авиации Великобритании от 5 августа 1939 года. Опасаясь, что Гитлер может обмануть Невилла Чемберлена угрозами нового секретного оружия, Черчилль получил необходимую информацию у Фредерика Линдемана и призывал правительство не опасаться появления «новых взрывчатых веществ огромной разрушительной силы», по крайней мере в течение «ближайших нескольких лет». Самые авторитетные ученые, подчеркивал знаменитый парламентарий, ссылаясь на Нильса Бора, считают, что «в этих процессах эффективно участвует компонент, содержащийся в уране лишь в незначительных количествах». Для получения каких-либо крупномасштабных эффектов необходимо трудоемкое извлечение этого компонента. «Цепной процесс может происходить только в случае концентрации большой массы урана, — продолжал Черчилль, несколько запутывая изложение. — Как только начнется выделение энергии, материал взорвется с несильной детонацией еще до того, как смогут возникнуть какие-либо сильные эффекты. Эта система может оказаться такой же сильной, как существующие сейчас взрывчатые вещества, но вряд ли позволит создать что-либо более опасное». В заключение Черчилль оптимистически заявлял: «Хотя будут делаться мрачные намеки и распространяться ужасающие слухи, следует надеяться, что они никого не смогут ввести в заблуждение».
В этом году Фриш подружился с таким же, как он сам, бирмингемским иммигрантом, теоретиком Рудольфом Пайерлсом. Пайерлс, состоятельный берлинец с мальчишеским лицом, заметно выступающими верхними зубами и строгим математическим умом, родился в 1907 году и приехал в Англию в 1933-м: он получил стипендию Фонда Рокфеллера на работу в Кембридже. Когда нацисты начали чистку германских университетов, он предпочел остаться в Англии. В феврале 1940 года он получил британское гражданство, но до тех пор формально оставался враждебным иностранцем. Когда Олифант время от времени обращался к нему за консультацией по математике резонансных полостей — важного элемента микроволнового радара, — оба старательно делали вид, что обсуждаемые вопросы представляют чисто академический интерес.
Пайерлс уже внес значительный вклад в дискуссию о взрывчатом потенциале деления ядра. В мае того же года Франсис Перрен, один из парижских сотрудников Фредерика Жолио, опубликовал первую формулу для приблизительного расчета критической массы урана — количества урана, необходимого для поддержания цепной реакции. Кусок урана, масса которого меньше критической, остается инертным; кусок критического размера должен самопроизвольно взорваться, как только будет собран в единое целое.
Возникновение критической массы связано с тем, что площадь поверхности шара увеличивается с ростом его радиуса медленнее, чем объем (пропорционально r² и r³ соответственно). При некотором определенном объеме, зависящем от площади материала и от сечений рассеяния, захвата и деления в нем, должна возникнуть ситуация, в которой число нейтронов, попадающих в ядра и вызывающих их деление, превышает число нейтронов, достигающих поверхности и улетающих за нее; такой объем и соответствует критической массе. Оценив несколько сечений природного урана, Перрен получил значение его критической массы, равное сорока четырем тоннам. Если окружить уран отражателем из железа или свинца, возвращающим нейтроны обратно в уран, то, как рассчитал Перрен, необходимую массу можно уменьшить до всего лишь тринадцати тонн.
Пайерлс сразу же увидел, что может улучшить формулу Перрена. Он сделал это в теоретической работе, которую он написал в мае и начале июня 1939 года и опубликовал в «Материалах» Кембриджского философского общества в октябре. Поскольку формула критической массы, основанная на делении медленными нейтронами, была бы слишком сложной математически, Пайерлс предложил рассмотреть «упрощенный случай»: деление незамедленными быстрыми нейтронами. При подстановке сечения деления природного урана, по сути соответствующего сечению деления 238U, получалась критическая масса, как отмечал Пайерлс, «порядка нескольких тонн». Объект такого размера было бы нереально использовать в качестве оружия. «Разумеется, никаких шансов погрузить такой предмет в самолет не было, и статья, по-видимому, не имела никакого практического значения». Пайерлс знал о существовавших в Британии и Америке соображениях секретности, но в данном случае не видел препятствий к публикации.
В конце ноября начался военный конфликт между СССР и Финляндией. В остальной Европе царило необычное противостояние, которое сенатор изоляционист от штата Айдахо Уильям Бора назвал «странной войной». Пайерлсы переехали в более просторный дом; в начале нового года они великодушно пригласили Фриша поселиться у них. Женя Пайерлс, происходившая из России, быстро прибрала холостого австрийца к рукам. Она «заправляла домом, — пишет Фриш, — с умом и жизнерадостностью, при помощи звонкого голоса с манчестерским акцентом и надменного русского пренебрежения определенными артиклями. Она приучила меня бриться каждый день и вытирать посуду с той же скоростью, с которой она ее мыла. С тех пор это умение неоднократно мне пригодилось». Жизнь у Пайерлсов была увлекательной, но Фриш ходил домой с работы во время зловещих затемнений, в такой темноте, что иногда спотыкался об уличные скамейки и замечал других пешеходов только благодаря светящимся карточкам, которые все носили в это время на своих шляпах. Это напоминало о непрерывно существовавшей угрозе германских бомбардировок, и он то и дело ловил себя на сомнениях в том уверенном выводе, который сделал в своем обзоре для Химического общества: «Правда ли то, что я там написал?»
Где-то в феврале 1940 года он снова проверил свои выводы. Всего существовало четыре возможных механизма взрывной цепной реакции в уране:
1) деление 238U медленными нейтронами;
2) деление 238U быстрыми нейтронами;
3) деление 235U медленными нейтронами и
4) деление 235U быстрыми нейтронами.
Логически найденное Бором отличие 238U и тория от 235U исключало механизм № 1: 238U не делился под воздействием медленных нейтронов. Механизм № 2 был неэффективным из-за рассеяния и паразитных эффектов резонансного захвата в 238U. Механизм № 3 потенциально можно было использовать для производства энергии, но для практического оружия он был слишком медленным. А как насчет механизма № 4? По-видимому, никто в Британии, Франции или Соединенных Штатах до сих пор не задавался этим вопросом всерьез.
Если Фришу удалось теперь заглянуть в эту бездну, это произошло потому, что он тщательно изучил вопрос разделения изотопов и решил, что оно может быть осуществлено даже с таким трудноуловимым изотопом, как 235U. Поэтому он был готов рассмотреть поведение этого вещества в чистом виде, без примесей 238U, в отличие от Бора, Ферми и даже Сциларда. «Я задумался вот о чем: если бы моя сепараторная трубка Клузиуса действительно заработала, — можно ли, используя несколько таких трубок, выделить уран-235 в количестве, достаточном для получения действительно взрывной цепной реакции, не зависящей от медленных нейтронов? И какое количество этого изотопа для этого нужно?»
Он рассказал об этой задаче Пайерлсу. У Пайерлса была формула критической массы. В этом случае в нее нужно было подставить сечение деления 235U быстрыми нейтронами, величины которого никто не знал, потому что никто еще не выделил достаточного количества этого редкого изотопа, чтобы определить его сечение на опыте — а только так и можно было получить достоверное значение. Тем не менее, говорит Пайерлс, «мы прочитали статью Бора и Уилера и разобрались в ней, и она, по-видимому, убеждала нас, что в этих обстоятельствах в сечении нейтронных процессов в 235U должно доминировать деление». Пайерлс смог сформулировать вывод из этого положения в весьма простых словах: «Если нейтрон попадает в ядро [235U], что-то непременно произойдет».
Тогда было интуитивно понятно, каким должно быть сечение: более или менее таким же, как известное сечение, выражающее вероятность того, что в ядро урана вообще попадет какой-либо нейтрон, — геометрическое сечение, 10¯²³ см², на целый порядок величины больше, чем полученные ранее оценки сечений деления в природном уране, который лишь в несколько раз превышали 10¯²⁴.
«Как бы играя», — пишет Фриш, он подставил 10¯²³см² в формулу Пайерлса. «К моему удивлению, [ответ] оказался гораздо меньше, чем я ожидал; речь шла не о тоннах, а о чем-то вроде одного-двух фунтов». Для такого тяжелого вещества, как уран, это соответствует объему меньшему, чем мяч для гольфа.
Но взорвется ли такая масса или же тихо выгорит? Пайерлс легко получил оценку. Цепная реакция должна развиваться быстрее, чем идет испарение и расширение нагревающегося металлического шара. Пайерлс вычислил, что время, проходящее между двумя последовательными поколениями нейтронов в цепочке 1 × 2 × 4 × 8 × 16 × 32 × 64..., составляет около четырех миллионных секунды, то есть этот процесс идет гораздо быстрее, чем деление медленными нейтронами, для которого Фриш получил оценку порядка нескольких тысячных секунды.
В таком случае насколько разрушительным будет взрыв? Появление около восьмидесяти поколений нейтронов — приблизительно такое их число может появиться до того, как нарастающий взрыв разнесет атомы 235U на слишком большое для продолжения цепной реакции расстояние, — за суммарное время, все еще составляющее миллионные доли секунды, дает температуру, сравнимую с температурами внутри Солнца, и давление, большее, чем в центре Земли, где железо течет как жидкость. «Я рассчитал, каким должен быть такой ядерный взрыв, — говорит Пайерлс. — Результаты расчетов потрясли нас обоих».