Сталин и бомба: Советский Союз и атомная энергия. 1939-1956 - Дэвид Холловэй

Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные Жолио и Ферми, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, и сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран — вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции «необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород или, быть может, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата… Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом 235». Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3%, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы вода или водород{246}.[55]

На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра, состоявшейся в ноябре 1939 г. в Харькове, Харитон доложил о работе, выполненной им совместно с Зельдовичем. Из его доклада следовало, что «из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа 235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта»{247}. На конференции возникла дискуссия об использовании деления ядра в качестве источника энергии или для взрывов, но никто из ее участников не считал, что это дело близкого будущего{248}.

Нильс Бор и Джон Уилер опубликовали важнейшую работу по теории деления в журнале «Физикэл Ревью» 1 сентября 1939 г., за два дня до начала войны в Европе[56]. Помимо прочего, эта работа содержала теоретическое обоснование гипотезы Бора, согласно которой именно уран-235 делится медленными нейтронами. Александр Лейпунский, который представил на Харьковской конференции обзор состояния исследований по ядру, большую его часть посвятил теории Бора и Уилера. Он сказал, что в течение очень долгого времени нельзя будет осуществить разделение изотопов, и утверждал, что цепная реакция на медленных нейтронах «весьма сомнительна». Более того, добавил он, ничего нельзя сказать о возможности реакции на быстрых нейтронах, поскольку отсутствуют данные о таких процессах, как замедление быстрых нейтронов{249}.

Большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Говорят, что Игорь Тамм в августе 1939 г., комментируя работу Зельдовича и Харитона, сказал: «Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров [от эпицентра взрыва]»{250}.[57],[58] Но такого рода оценка была исключением. Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 г., отметил, что представляется маловероятным, что в этом случае возможно использование результатов ядерной физики в практических целях{251}. Капица в 1940 г. по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Понадобится разделить изотопы, а для этого необходимо будет «затратить энергии больше, чем можно рассчитывать получить от ядерной реакции». Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы возможность использовать атомную энергию превратилась в реальность{252}.[59]

Исследования условий осуществления цепной реакции деления продолжались и после харьковской конференции. Курчатов предложил провести несколько экспериментов, которые могли бы установить; будет ли уран-238 делиться быстрыми нейтронами. Он поручил проведение одного из этих экспериментов Флерову и Константину Петржаку, молодому исследователю из Радиевого института. Задача опыта состояла в наблюдении за тем, как меняется величина потока нейтронов из урановой сферы, если внутри нее поместить источники нейтронов с различными спектрами энергий. Петржак и Флеров построили очень чувствительную ионизационную камеру для регистрации актов деления. Когда в начале 1940 г. они приступили к опытам, то, к своему большому удивлению, обнаружили, что ионизационная камера продолжает срабатывать, т. е. регистрировать деление, и тогда, когда они убрали источник нейтронов. Вскоре они пришли к заключению, что открыли спонтанное деление — деление, происходящее без бомбардировки нейтронами. Теоретически такой процесс был предсказан Френкелем, а также Бором и Уилером, но Петржак и Флеров первыми экспериментально доказали это явление{253}.

Курчатов предложил Петржаку и Флерову провести ряд контрольных опытов, чтобы исключить возможность ошибки в эксперименте. Один из этих опытов был проведен под землей — в помещении станции московского метро «Динамо», чтобы показать, что деление не вызывается космическими лучами. В конце концов Курчатов убедился в том, что они открыли спонтанное деление. В мае 1940 г. Хлопин и Курчатов доложили об этом открытии в Академии наук, и вскоре в советских журналах появились соответствующие статьи{254}. Курчатов, всегда придававший значение мнению иностранных физиков, послал короткое телеграфное сообщение об открытии в американский журнал «Физикэл Ревью», и оно было опубликовано в номере от 1 июля 1940 г. Флеров и Петржак хотели включить имя Курчатова в число авторов, поскольку это он предложил схему эксперимента и помогал им в анализе его результатов, но Курчатов отклонил это предложение. По-видимому, он опасался, что его молодые сотрудники не получат должного признания, если статья будет подписана и его именем{255}.[60] В Советском Союзе это открытие привлекло большое внимание. Его рассматривали как свидетельство того, что Курчатов и его сотрудники работают теперь на том же уровне, что и ученые ведущих исследовательских центров на Западе. Позднее Флеров говорил: «…Тогда, до войны, в нас очень были сильны приоритетные страсти. Все дрались за первенство»{256}. Американец Уиллард Либби тоже пытался экспериментально обнаружить явление спонтанного деления, но потерпел неудачу. Это сделало успех советских физиков еще более приятным событием.

7 марта 1940 г. Зельдович и Харитон направили в ЖЭТФ свою третью статью, которая была опубликована в мае{257}. В первых двух статьях они исследовали условия для развития цепной реакции в системе бесконечного размера. Теперь они изучали кинетику цепной реакции в условиях, близких к критическим. Цепная реакция будет развиваться только в блоке критических размеров. Ядерная цепная реакция могла бы дать огромное количество энергии, писали они, и сделать возможным «некоторые применения урана»{258}. Поэтому вскоре можно было бы ожидать получения цепной реакции, несмотря на большие трудности, стоящие на этом пути. Но окончательный вывод об использовании деления ядер для получения энергии или для взрывов нельзя сделать, пока не будет понята кинетика цепной реакции. Особенно важно было понять переход от подкритического состояния к надкритическому, потому что этот переход может произойти очень быстро. Зельдович и Харитон писали о том, что расчетное время между поколениями нейтронов в случае медленных нейтронов составляет миллисекунды и десятки микросекунд — для быстрых нейтронов{259}.

Вычисления Зельдовича и Харитона показали, что как только система приближается к критическому состоянию, тепловое расширение урана (которое позволило бы нейтронам покинуть блок урана) и испускание запаздывающих нейтронов способны оказывать решающее влияние на переход в критическое состояние, а это позволило бы гораздо легче регулировать этот переход. «Такие свойства системы (прежде всего регулировка через тепловое расширение) делают экспериментальное исследование и энергетическое использование цепного распада урана безопасным. Взрывное использование цепного распада требует специальных приспособлений для весьма быстрого и глубокого перехода в сверхкритическую область и уменьшения естественной терморегулировки»{260}.

В этой статье говорилось о физических процессах, которые должны оказаться определяющими при конструировании реакторов. Из нее также видно, что Зельдович и Харитон размышляли о цепных реакциях на медленных и быстрых нейтронах и что они предполагали возможность использования внутриядерной энергии как для бомб, так и для получения энергии. Хотя в их статье в явном виде не определялось условие для инициирования мощного ядерного взрыва (значительная сверхкритичность в начальном состоянии и размножение быстрых нейтронов), она, как утверждалось в более поздних комментариях к ней советских ученых, непосредственно указывала на это условие{261}.