А 6 декабря в своем отчете военному министерству Гейзенберг указывал, что при послойном расположении урана и замедлителя, предложенном Хартеком, размеры реактора окажутся даже значительно меньшими. Другим замечательным свойством такого реактора была возможность снимать с него мощность в соответствии с потребностью. Эта возможность сохраняется до тех пор, пока не произойдет «выгорание» большей части топлива, или же до тех пор, пока не наступит отравление уранового топлива продуктами деления[12].
Последние абзацы отчета, написанного Гейзенбергом для военного министерства, показывают, как много смогли сделать немецкие ученые всего лишь за два месяца, прошедшие со дня начала работ.
Заключение. В свете современных данных процессы расщепления урана, открытые Ганом и Штрассманом, могут быть использованы для производства больших количеств энергии. Наиболее надежным путем создания реактора, способного производить большое количество энергии, является обогащение ураном-235. Чем выше степень обогащения, тем меньшим по размерам можно сделать реактор. Обогащение ураном-235 — единственная возможность создать реактор, объем которого будет заметно меньше одного кубического метра. Более того, обогащение — единственный метод изготовления взрывчатого вещества силой, на несколько порядков величины превышающей все до сих пор известные.
Однако что касается производства энергии, то в этом случае возможно применение обычного необогащенного урана при условии, что уран будет использоваться совместно с другим веществом, замедляющим, но не поглощающим нейтроны, испускаемые ураном. Вода непригодна для этой цели. Исходя из существующих данных можно полагать, что подходящими окажутся тяжелая вода и чрезвычайно чистый графит. Даже ничтожные примеси приведут к полной невозможности получения энергии.
Гейзенберг предупреждал также, что реактор явится исключительно мощным источником опасного нейтронного и гамма-излучения.
Как показал в 1932 году американский ученый Юри, в водороде, выделяющемся при электролитическом разложении воды, содержится в 5—6 раз меньше тяжелого водорода — дейтерия, — чем в воде, остающейся в баллоне для электролиза. Однако, чтобы получить один литр тяжелой воды с концентрацией 99%, потребуется разложить сто тысяч литров обычной воды, если электролиз производить в одной ступени. Поэтому на практике так никогда не делается, тяжелую воду получают путем использования нескольких последовательных ступеней электролиза; обогащенная вода из первой ступени заливается во вторую, где она обогащается в еще большей степени, затем — в третью и так далее.
Тяжелая вода, о которой уже не раз говорилось на страницах этой книги, по целому ряду технических соображений является идеальным веществом для замедления нейтронов до таких скоростей, что ядра урана-238 уже не захватывают их, но в то же время скорость нейтронов остается достаточной для расщепления ядер урана-235. Как явствует из самого названия, удельный вес тяжелой воды больше, чем обычной. Поскольку в молекуле тяжелой воды D20 вместо двух атомов обычного водорода содержатся два атома тяжелого водорода — дейтерия, удельный вес последней на 11% выше, чем легкой воды. В ядре дейтерия дополнительно содержится нейтрон, в то время как в ядре обычного водорода содержится только один протон.
Точка замерзания тяжелой воды соответствует не 0°С, а 3,81° С, температура кипения при нормальном давлении равна 101,42° С.
Когда разразилась война, во всем мире только одна фирма — Норвежская гидроэлектрическая компания — выпускала в коммерческих масштабах тяжелую воду, которая была побочным продуктом получаемого электролизом водорода. Завод, являвшийся, по словам одного немецкого физика, «шедевром норвежской техники и науки», был расположен в Веморке, близ Рьюкана, в Южной Норвегии.
Здесь, ниже гигантского водопада Рьюкан-Фосс, в гранитном здании электростанции, примостившейся у крутого склона, работали гидрогенераторы постоянного тока общей мощностью 120 тысяч киловатт. Электроэнергия на этой станции обходилась очень дешево, и львиная доля ее направлялась прямо в здание электролизного производства, расположенное на том же выступе скалы, что и сама электростанция.
Как уже говорилось, обычный процесс электролиза очень неэкономичен, так как значительная часть дейтерия при этом пропадает впустую, уходит вместе с водородом. Поэтому Норвежская гидроэлектрическая компания в 1934 году усовершенствовала последние три из девяти ступеней электролиза. Усовершенствование заключалось в установке на последних трех ступенях устройств для сжигания в кислороде обогащенного дейтерием водорода, выделяющегося при электролизе в этих трех ступенях. При сжигании получалась обогащенная вода, и ее вновь направляли на электролиз, но в более ранние ступени, где концентрация тяжелой воды была примерно той же самой. Обычный водород, получаемый в первых шести ступенях, поступал на завод синтетического аммиака. Этот завод являлся первым норвежским предприятием по изготовлению искусственных удобрений.
Однако концентрация тяжелой воды на девяти ступенях электролиза повышалась далеко не достаточно, всего лишь до 13%. Для получения почти чистой тяжелой воды обогащенная вода направлялась на завод высокой концентрации, спроектированный профессором Лейфом Тронстадом и доктором Йомаром Вруном. Здесь концентрация тяжелой воды электролитическим способом повышалась до 99,5%.
Завод в Веморке вошел в строй в 1934 году, а к 1938 году его полная выработка исчислялась лишь 40 килограммами. Но к концу 1939 года только месячное производство уже достигло 10 килограммов. Если учесть, что в самой Германии существовал один жалкий заводишко электролитического водорода мощностью 8000 киловатт, легко представить себе, насколько немцы были заинтересованы заводом в Веморке. Правда, им следовало еще заручиться согласием самих норвежцев (Норвегия еще оставалась свободной), и в этом-то заключалась главная трудность.
В декабре и ноябре 1939 года в Гамбургской лаборатории Пауля Хартека исследования велись по двум темам. Профессор Кнауэр и доктор Суэсс построили аппарат непрерывного действия для измерения концентрации нейтронов в постоянно циркулирующем растворе азотнокислого уранила. Эксперимент должен был дать среднее значение числа нейтронов, выделяющихся при делении ядра урана, и зависимость этого числа от нескольких переменных. А параллельно велась работа над аппаратом Клузиуса-Диккеля для шестифтористого урана. Пробные эксперименты, в ходе которых вместо шестифтористого урана использовался ксенон, хорошо освоенный в институте Хартека, были уже проведены и принесли удачу. Оставалось установить, окажется ли поведение шестифтористого урана в колонне аппарата Клузиуса-Диккеля сходным с поведением ксенона.
Пока на Леверкузенской фабрике фирмы «ИГ Фарбениндустри» шла подготовка к коррозионным испытаниям, необходимым для выбора подходящего материала, в Гамбурге строили новую большую колонну специально для разделения изотопов урана; ее высота была 7,5 метра, а обогрев осуществлялся паром. В середине декабря Шуман настолько расщедрился, что разрешил Хартеку израсходовать 6 тысяч марок еще до официального заключения контракта.
На рождество 1939 года Хартек отправился на юг страны и посетил самого Клузиуса. Последний, даже не дожидаясь одобрения свыше, уже вел работу с целью выяснить, возможно ли на основе закона распределения Нернста повышать концентрацию урана-235, используя для этого растворы урановых соединений. Иначе говоря, Клузиус намеревался разделять изотопы урана, применяя две несмешивающиеся жидкости. По идее следовало ожидать повышения концентрации легкого изотопа в одной жидкости, а тяжелого — в другой. Результатом встречи Хартека и Клузиуса явилось решение проверить на практике оба метода разделения.
Практическое осуществление плана военного министерства «мобилизовать» Институт физики кайзера Вильгельма в Далеме сразу же натолкнулось на трудности. Дело в том, что директором Института был в то время прославленный голландский физик-экспериментатор Петер Дебай. А поскольку намечавшиеся исследования имели сугубо секретный характер, к ним, по мнению военных властей, не мог быть допущен иностранец. Поэтому Дебая поставили перед альтернативой либо принять германское подданство, либо оставить директорский пост. Дебай не пожелал отказаться от голландского гражданства. Но все же отстранить от должности без достаточных оснований столь крупного физика казалось неловким даже нацистам. К счастью для Дебая, кто-то предложил удобный компромисс: Дебая не освобождали от поста директора, а считали, что он принял приглашение прочитать цикл лекций в нейтральных тогда Соединенных Штатах. Дебай покинул Германию в 1940 году и уже не вернулся туда.
12
Физики, работавшие в США, не представляли себе возможных масштабов отравления уранового топлива в больших реакторах, до тех пор пока в Ханфорде не вошли в строй гигантские реакторы для производства плутония. Они вышли из строя один за другим в течение нескольких дней вследствие образования ксено-на-135 при делении урана. Хотя изотоп ксенона содержался в реакторах в очень небольших концентрациях, он оказался неожиданно сильным поглотителем тепловых нейтронов.