Ядерное оружие Третьего рейха. Немецкие физики на службе гитлеровской Германии
Шрифт:
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
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
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.
Доктор Карл Вирц, ведущий физик Института физики в Берлин-Далеме, по распоряжению управления вооружений отправился инспектировать завод в Веморке. Вирц вошел в число ученых, занятых в атомном проекте, благодаря своей довоенной специализации – он занимался тяжелой водой и ее свойствами. Высокий, большеголовый, с нервной быстрой речью, Вирц стал одним из ведущих немецких ученых, работавших над атомным проектом. Он был на «ты» с главным инженером завода в Веморке доктором Йомаром Бруном. Брун вместе с профессором Лейфом Тронстадом был автором исследования плотности тяжелой воды.
Целью поездки Вирца не было определение потенциальных возможностей по увеличению производства тяжелой воды. Было известно, что компания «Norwegian Hydro» выпускала тяжелую воду в количествах, достаточных для удовлетворения только потребностей лабораторий, и, конечно, не могла обеспечить необходимые рейху многие тонны этого вещества. В отчете Вирца указывалось на то, что производственный процесс был крайне неэкономичным: он предусматривал повторное окисление водорода и его вторичный электролиз. Вирц подчеркивал, что даже в идеальных условиях для производства одного грамма тяжелой воды потребуется 100 киловатт-часов энергии, затраты на которые в Германии составляли одну рейхсмарку. Отсюда следовало, что строительство предприятия по производству тяжелой воды на территории Германии было бы нецелесообразным даже при условии, что германская экономика окажется в состоянии выдержать эту дополнительную нагрузку.
Возможно, печальный результат неверных вычислений свойств графитового замедлителя оказался бы менее ощутимым для германской атомной программы, если бы ученым удалось найти оптимальный процесс обогащения урана-235, то есть увеличение концентрации этого изотопа в общей массе урана. Если бы эта задача была решена, то в качестве замедлителя ядерной реакции можно было бы использовать обычную воду. Однако и здесь в начале 1941 года Гартеку и Иенсену пришлось признать свое поражение: при работе с гексафторидом урана оказалось невозможным применение процесса газоотделения Клузиуса – Диккеля. В лаборатории в Гамбурге была установлена четырехметровая двустенная никелевая труба, которая нагревалась за счет поступления пара на ее внутреннюю стенку. Соответственно охлаждение осуществлялось за счет понижения температуры внешней трубы. Между трубами был пропущен гексафторид урана, но все оказалось безрезультатным. Тогда на предприятии «И.Г. Фарбен» в Леверкузене была построена труба еще больших размеров, около пяти метров, и эксперимент был повторен. Однако при работе в заданном температурном режиме с гексафторидом урана результат снова оказался нулевым. Только спустя семнадцать дней, при работе с вдвое превышавшим нормальное содержанием урана-235 в гексафториде урана, удалось получить менее чем однопроцентный показатель обогащения урана. Мюнхенский физик-химик Л. Вальдман предположил, что причиной столь удручающего результата может быть то, что при таких высоких температурах происходил распад гексафторида, но это было не так. Таким образом, оказалось, что у немцев не было выбора: как и предвидел Клузиус, пентахлорид урана был неподходящим материалом для такой реакции, так как даже при отсутствии воды он распадался на тетрахлорид урана и хлор.