Ветеран. «Урановый проект» фашистской Германии
Пролог
В декабре 1938г. в Берлине немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман впервые обнаружили что при бомбардировке нейтронами ядра атомов урана делятся на две части с выделением энергии и дополнительных нейтронов. В начале марта 1939г. французские физики Жолио-Кюри, Халбан и Коварски (последние бежали во Францию из Германии) экспериментальным путем доказывают возможность цепной реакции деления урана. В конце того же месяца статью французских физиков публикует журнал «Nature».
В середине апреля во время коллоквиума по физике в Геттингене профессор Вильгельм Ханле прочитал доклад о некоей машине, использующей энергию выделяющуюся при расщеплении урана. Сразу после коллоквиума профессор Георг Йоос, авторитетный специалист по экспериментальной и теоретической физике, немедленно написал письмо в министерство образования, которому подчинялись университеты.
Георг Якоб Кристоф Йоос (1894 — 1959), немецкий физик-экспериментатор
Министерство поручило профессору Абрахаму Эзау из Йены (назначенному руководителем сектора физики в Научно-исследовательском совете, созданном при рейхсминистерстве образования) созвать конференцию по ядерной физике. Заседание проходило 29 апреля 1939г. в обстановке строгой секретности. Присутствовали профессор Эзау (председатель), профессора Йоос, Ханле, Гейгер, Маттаух, Боте и Хофман, доктор Дамес.
Роберт Абрахам Исау (1884 — 1955), немецкий физик, где был пионером в области использования сверхвысокочастотных волн (УКВ) в радарах, радио и телевидении.
Но первым в списке приглашенных был профессор Эрих Шуман (потомок знаменитого композитора), руководитель исследовательского отдела Управления армейского вооружения! На конференции обсуждалась реальность строительства экспериментального уранового реактора, было рекомендовано собрать воедино все запасы урана, имеющиеся в стране, и запретить вывоз из страны любых его соединений.
Эрих Шуман (1898 — 1985), немецкий физик, специализировавшийся на акустике и взрывчатых веществах, а также на теоретических приложениях физики. Был генералом армии и профессором Берлинского университета
В то время крупнейшие запасы урана находились в Бельгийском Конго. На тамошних складах хранились тысячи тонн урановой руды. Их следовало срочно скупить. Кроме того, решили создать научно-исследовательскую группу, куда войдут все ведущие физики рейха. Руководить ей собирался сам профессор Эзау.
В конце апреля 1939 г. председатель комитета научного планирования Великобритании Генри Тизар обратился с просьбой к своему правительству воспрепятствовать немецким закупкам урана. В мае Тизард, а летом и Кюри, втречались с Эдгаром Сенжье, директором бельгийской фирмы «Union Miniere» занимавшейся добычей урана в Конго.
Оба они предостерегали Сенжье, что если урановая руда попадет в руки нацистов то это приведет к мировой катострофе. Закупку урана Германией удалось сорвать, но предотвратить захват того урана что был уже доставлен из Конго в Европу не удалось. В мае 1940г. Бельгия была оккупирована и в руки нацистов попали 1200т. уранового концентрата, хранившегося на обогатительной фабрике в Олене. Это была почти половина мирового запаса урана. Другая половина находившаяся в Катанге в сентябре 1940г. была тайно переправлена в Нью-Йорк. Именно эта руда послужила сырьем для первых атомных бомб.
24 апреля два физика из Гамбурга — Пауль Хартек и Вильгельм Грот обратились в военное министерство с письмом где сообщали, что новые открытия в области ядерной физики, вероятно, позволят создать взрывчатку невиданной мощи. Вывод был таким «Та страна, которая сумеет практически овладеть достижениями ядерной физики, приобретет абсолютное превосходство над другими».
Пауль Карл Йозеф Мария Хартек (1902 — 1985), австрийский учёный, физикохимик и физик-ядерщик.
Письмо попало в отдел вооружений сухопутных войск к Шуманау, а тот вручил его доктору Курту Дибнеру, специалисту вооруженных сил по ядерной физике и взрывчатым веществам. Дибнер следил за всеми техническими новинками отыскивая те которые можно было бы использовать для создания новых или совершенствования существующих видов воружения. Ему не понадобилось много времени, чтобы понять всю ценность новой идеи.
По настойчивым просьбам Дибнера Управление армейского вооружения, не дожидаясь принятия официального решения высших военных властей, начало самостоятельные ядерные исследования. Была создана группа по урановым исследованиям, которую возглавил сам доктор Дибнер.
Курт Дибнер (1905 — 1964), немецкий учёный, физик-ядерщик.
В июне 1939г. Дибнер организовал сооружение первой в Германии реакторной сборки на полигоне Куммерсдорф в Готтове под Берлином. (позднее он вспоминал, что быстро расшевелить военных удалось только потому, что в обход их министерства была создана некая «группа Абрахама Эзау», и это задело генералов).
Таким образом уже накануне Второй мировой войны Германия оказалась единственной великой державой, где ядерная тематика получила официальный статус приоритетного направления военных исследований.
1 сентября началась Вторая мировая война. Военные активно взялись за работу. Восьмого сентября был призван в армию (в отдел Шумана), молодой даровитый физик из Лейпцигского университета, доктор Эрих Багге. В последующие дни были «призваны на службу» еще целый ряд молодых, перспективных ученых. Так что Эзау вскоре остался практически без подчиненных.
Эрих Багге (1912 — 1996), немецкий учёный, физик-ядерщик.
В середине сентября 1939г. главное командование немецкой армии дало команду развернуть работы по созданию атомного оружия. Осуществление программы работ было возложено на Физический институт Общества кайзера Вильгельма в Берлине (Далем), Институт физической химии Гамбургского университета. Физический институт Высшей технической школы (Берлин), Физический институт Института медицинских исследований (Гейдельберг), Физико-химический институт Лейпцигского университета и на другие научные учреждения.
Вскоре число институтов, занятых основными исследованиями, достигло 22. Научным центром Уранового проекта был утвержден Физический институт Общества кайзера Вильгельма который было решено подчинить военному министерству. В Институт собирались перевести всех ученых, работающих над «урановым проектом». Но реализация этой здравой идеи наткнулась на противодействие ученых. Работать над хорошо финансируемым проектом хотели все, но переезжать в Берлин наотрез отказывались.
16 сентября 1939г. в Управлении армейского вооружения состоялось первое совещание. В нем участвовали высшие военные чины и практически все немецкие физиками-экспериментаторы занимавшиеся ядерными исследованиями. Предложения привлечь к работе «теоретиков» в лице лауреата Нобелевской премии профессора Гейзенберга натолкнулись на сопротивление. Между «экспериментаторами» и «теоретиками» давно уже развернулось негласное соперничество.
Точнее будет сказать: они враждовали друг с другом. Позже Багге удалось все же уговорить Дибнера пригласить Гейзенберга на следующее собрание тогда же к проекту был привлечен и Карл Фридрих фон Вайцзеккер.
Карл Фри́дрих фон Вайцзе́ккер (1912 — 2007), немецкий физик и философ.
На совещании развернулась оживленная дискуссия. Ученые спорили о том, какой может быть «урановая машина» и как она будет функционировать. Было два способа извлечения энергии из урана. Либо неконтролируемая реакция, то есть взрыв бомбы, либо управляемый процесс в урановом реакторе. Чтобы процесс стал управляемым, нужно смешать уран с каким-то веществом, которое будет тормозить быстрые нейтроны, испускаемые в момент расщепления ядра, но не поглощать их, так называемый «замедлитель».
А для создания бомбы надо выделить довольно редкий изотоп уран-235, поскольку при обстреле его нейтронами начинается цепная реакция деления ядер урана и происходит взрыв. Несмотря на споры, участники совещания не видели больших трудностей в решении поставленных задач и без оговорок приняли ориентировочный срок разработки ядерного оружия, установленный Управлением армейского вооружения — 9-12 месяцев. Было принято решение полностью засекретить работы.
К следующему совещанию Хартек написал доклад об использовании тяжелый воды «во избежание резонансного поглощения в уране-238» в котором показал что тяжелая вода идеально замедляет нейтроны и в реакторе урановое топливо и тяжелую воду следует размещать отдельными слоями. На этом совещании были определены ближайшие задачи.
Во-первых, надо научиться отделять легкий изотоп урана (U-235) от других его изотопов. Во-вторых, определить «эффективное поперечное сечение» атомных ядер всех тех веществ, которые можно использовать в качестве «замедлителя» (то есть определить вероятность захвата нейтронов атомными ядрами этих веществ).
В-третьих, понять, может ли урановый реактор работать на медленных нейтронах. Ученые получили конкретные задания. Багге исседует «эффективне поперечное сечение», Хартек доводит до конца «термодиффузию» изотопа урана U-235, Гейзенберг изучает теоретические основы цепной реакции.
Вернер Карл Гейзенберг (1901 — 1976), немецкий физик-теоретик, один из основоположников квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике 1932 года. Его работы заложили фундамент для понимания микромира и коренным образом изменили физическую картину мира в XX веке.
В декабре 1939г. Гейзенберг подготовил отчет «Возможность технического получения энергии при расщеплении урана» где предложил две схемы реактора. В первой уран и тяжелая вода смешивались в шаре радиусом около 60см. окруженном обычной водой (около 1000кг. тяжелой воды и 1200кг. урана).
В другой уран и тяжелая вода не смешивались, а располагались слоями площадью около 1 кв.м. (слой урана толщиной 4 см. тяжелой воды около 5 см), причем после трех слоев урана и тяжелой воды (в состав которой вместо водорода входил его тяжелый изотоп — дейтерий) необходим слой чистого углерода (10-20см.), а весь реактор снаружи должен быть окружен слоем чистого углерода.
В конце отчета сказано: «Самым надежным методом является обогащение изотопа урана U-235. Только это позволит уменьшить размеры «урановой машины» до одного кубического метра, позволит создать взрывчатые вещества, чья мощь в тысячи раз превзойдет мощь известных нам взрывчатых веществ. Для производства энергии можно использовать и обычный уран, не прибегая к разделению его изотопов.
Для этого нужно добавить к урану вещество, способное замедлять излучаемые нейтроны, не поглощая их. Этим требованиям отвечают лишь «тяжелая вода» и очищенный уголь. Однако при малейшем их загрязнении выработка энергии прекратится.»
Урановый проект Третего Рейха
Исследования ученых в 1940 – 1941 годах
Договор между Управлением армейского вооружения и Обществом кайзера Вильгельма о передаче Физического института, а по существу договор между армией и наукой о разработке атомного оружия был подписан 5 января 1940г. доктором Телыповым от имени Общества и 17 января 1940г. генералом Беккером от имени армии.
Директором института в то время был знаменитый нидерландский физик-экспериментатор Петер Дебай, лауреат Нобелевской премии 1936г. Иностранец не мог возглавить секретный немецкий проект. Ученого поставили перед выбором: либо принять немецкое гражданство, либо покинуть институт.
Петер Йозеф Вильгельм Дебай (1884 — 1966), нидерландский физик и физикохимик, лауреат Нобелевской премии по химии (1936)
В 1940г. Дебай уехал в Америку и немецкий атомный проект потерял еще одного ценного сотрудника. На освободившуюся должность было два кандидата Гейзенберг и Дибнер. В конце концов временным «уполномоченным руководителем» (поскольку директор Института Дебай, уехав в Америку, так и не подал в отставку) института в Далеме был назначен Дибнер.
Так началось противостояние между «группой Дибнера» и Гейзенбергом с его многочисленной свитой, которое замедлило работу над «урановым проектом».
В феврале 1940г. Гейзенберг путем математического расчета пришел к выводу, что использование графита в качестве замедлителя не столь эффективно как казалось, гелий тоже не годился т.к. при этом реактор имел бы слишком большие размеры. Оставалась тяжелая вода. По расчетам Гейзенберга, уран и тяжелая вода понадобятся в равных количествах примерно по 2т.
В канун Второй мировой войны единственной фирмой, выпускавшей тяжелую воду в «промышленных количествах» (не более 10кг. в месяц), была норвежская «Norsk-Hydro». Производство располагалось близ городка Рьюкан на юге Норвегии на гидроэлектростанции мощностью 140000кВт.
Тяжелая вода являлась побочным продуктом получения водорода путем электролиза. (если подвергать электролизу 100000л. воды до тех пор, пока н е останется всего литр воды, то нем содержание тяжелой воды достигнет 99%). Хартек предложил новый более дешевый метод производства с помощью каталитического обмена. С согласия военных, решили построить опытную установку.
Тем временем в Норвегию для закупки тяжелой воды приехал представитель концерна «ИГ Фарбениндустри». Он сообщил руководителям фирмы, что намерен скупить все запасы тяжелой воды (185кг. концентрацией 99,6 — 99,9%) и заключить контракт на поставку 100кг. в месяц. Норвежцы от сотрудничества отказались о чем в феврале 1940г. официально известили своих немецких партнеров.
Тогда же весь запас тяжелой воды был продан Франции для нужд Жолио-Кюри (накоторые источники говорят что около 20кг. все же было отправлено в Германию). Немцы перехватили самолет транспортировавший тяжелую воду но в канистрах оказалась обыкновенная вода, канистры были подменены и тяжелая вода благополучно добралась до Франции.
Фредерик Жолио-Кюри (Жан Фредерик Жолио-Кюри, фр. Jean Frédéric Joliot-Curie; 19 марта 1900 — 14 августа 1958) — французский физик и общественный деятель, один из основоположников исследований в области ядерной физики и химии, лауреат Нобелевской премии по химии (1935 год, совместно с Ирен Жолио-Кюри)
Для начала опытов необходим был уран. Его запасами располагала фирма «Ауэр» (когда в 1939г. Германия захватила Чехословакию именно эта фирма стала осваивать тамошние урановые рудники). За несколько недель на небольшом заводике в Ораниенбурге наладили производство урана. Каждый месяц здесь выпускалось около тонны оксида урана. Первая тонна была отгружена военным в январе 1940 г.
В 1940г. в лабораториях Лейпцига, Берлина, Гейдельберга, Вены и Гамбурга был поставлен целый ряд экспериментов с реакторами различной конструкции. В начале апреля 1940г. Хартек использовал для своего реактора оксид урана и сухой лед (твердая углекислота) в качестве замедлителя. С сухим льдом проблем не было, а с оксидом урана, которого требовалось до 300кг. было сложнее.
Весной 1940г. Дибнер был завален заявками от разных исследовательских групп. Гейзенберг требовал целую тонну и Дибнер, в целях экономии. предложил ему провести эксперимент вместе с Хартеком. Однако нобелевский лауреат от сотрудничества отказался. К началу июня лаборатория Хартека получила только 185кг. оксида урана.
Проводить задуманный опыт с таким малым количеством было бессмысленно — цепная реакция не пойдет. Хартеку удалось измерить лишь уровень абсорбции нейтронов в уране и их диффузионную длину в твердой углекислоте.
В Гейдельберге профессор Боте и доктор Фламмерсфельд смешали в огромном чане почти 4,5т. оксида урана с 435кг. обыкновенной воды. В результате ученые убедились что без тяжелой воды реактор на оксиде урана работать не будет.
Арнольд Рудольф Карл Фламмерсфельд (10 февраля 1913 – 5 января 2001[1]) был немецким физиком-ядерщиком, работавшим над немецким проектом в области ядерной энергетики
После того как в Бельгии были захвачены большие запасы ураната натрия 2т. его доставили в Берлин, в лабораторию фон Дросте. Уранат содержал много примесей и был очень влажным тем не менее его расфасовали в две тысячи бумажных пакетов и сложили в виде метрового куба. Похоже Дросте верил, что бумага и вода содержащаяся в руде могут служить замедлителем нейтронов, и потому обошелся без какого либо дополнительного замедлителя. Эксперимент завершился ничем.В июне 1940г. немецкие войска заняли Париж в руки немецких физиков попал американский циклотрон (смонтированный, правда, наполовину), запасов тяжелой воды обнаружено не было, Ее в последний момент удалось вывезти в Англию. В июле «парижская группа» физиков под руководством профессора Вольфганга Гентнера принимается за работу на отлаженном циклотроне (Жолио-Кюри под страхом репрессий тоже принял участие в немецком «урановом проекте»).
Вольфганг Гентнер (1906 – 1980), немецкий ядерный физик-экспериментатор.
В июле 1940г., в пригороде Берлина, Далеме, по соседству с Институтом физики, на участке, принадлежавшем Институту биологии и вирусных исследований, начали строить небольшую деревянную лабораторию для размещения ядерного реактора. Чтобы отпугнуть непрошеных гостей, над дверями здания повесили табличку «Лаборатория вирусов». Гейзенберг метался между Лейпцигом и Берлином. В Лейпциге профессор Депель проводил эксперимент с оксидом урана и парафином. Безуспешно!
В начале октябре 1940г. лабораторию в «Доме вирусов» закончили. Здесь была создана реакторня сборка на основе расчетов выполненных Гейзенбергом. Она представляла собой алюминиевый цилиндр высотой и диаметром 1,4м. в который было уложено попеременно 14 слоев окиси урана (5,5т.) и 13 слоев парафина в качестве замедлителя.
В центре цилиндра помещался источник нейтронов. Весь цилиндр опускался в шахту, заполненную водой. Проводили опыт Гейзенберг, Вайцзеккер и Виртц. Но и эта попытка не привела к размножению нейтронов. Через несколько недель проверили две другие схемы реактора с парафином в качестве замедлителя. Опять безрезультатно!
В итоге всех этих опытов проведенных летом и осенью 1940г. ученые сделали вывод, что невозможно построить реактор на оксиде урана, если в качестве замедлителя брать парафин или обычную воду.
После неудачных попыток 1940г. запустить реактор было решено использовать в опытах не оксид урана, а металлический уран. Заказ на его изготовление получила фирма «Degussa» (в 1938–40гг. здесь уже получали металлический торий из его оксида). К концу 1940г. здесь изготовили 280,6кг. порошкового урана (в США порошковый уран удалось получить лишь в конце 1942г.).
В конце 1940г. уже три группы немецких ученых работали над атомным проектом. Одной руководил Дибнер, в Геттингене бездействовала группа Эзау, у которого забрали практически всех подчиненных, третья возникла в Лихтерфельде, в лаборатории, где всем заправлял блестящий изобретатель Арденне, а финансировалась она министерством почт под руководством Онезорге.
Манфред фон Арденне (1907 – 1997 ), немецкий физик, исследователь и изобретатель, профессор, участник работ по созданию ядерного оружия в нацистской Германии в 1939—1945 годах и в СССР после 1945 года. Лауреат Сталинской премии (1953) и Национальной премии ГДР (1958, 1965),
К концу года Арденне получил деньги на строительство в Лихтерфельде «ленточного генератора Ван-де-Граафа напряжением в один миллион вольт. Вскоре в Мирсдорфе начали оборудовать еще один «почтовый» центр ядерных исследований с каскадным генератором. В обеих лабораториях начали строить 60-тонные циклотроны.
В середине 1940г. в лаборатории профессора Боте в Гейдельберге была измерена диффузионная длина тепловых нейтронов в углероде (графите) она равнялась 61см. (в идеально чистом графите этот показатель еще выше) следовательно графит, материал чрезвычайно дешевый и распространенный мог служить замедлителем.
Фирма «Сименс» изготовила чистейший графит. И уже в январе 1941г. опыт был повторен. Результат обескуражил ученых. По показаниям приборов диффузионная длина составляла всего 35см. Значит, графит в замедлители не годится?
В литературе о немецком Урановом проекте часто говорится об ошибке профессора Боте давшего о непригодности графита что стало причиной отказа немецких ученых от его использования (американцы в своем реакторе в качестве замедлителя использовали именно графит).
Однако из отчета Боте видно, что графит не был «чистейшим», а был загрязнен бором. А как известно, даже самое малое содержание бора в графите мешает ядерным цепным реакциям. В отчете говорится: «Так как углерод более высокой степени чистоты практически не может быть изготовлен, то он едва ли сможет приниматься в расчет как замедлитель».
Графит как замедлитель не был использован в немецком атомном проекте вследствие несостоятельности руководителей проекта в лице Дибнера который не смог обеспечить производство графита необходимой чистоты.
Альтернативы тяжелой воде не оставалось. Во второй половине 1941г. фирма «Norsк-Hydro» получила заказ на производство 1,5т. тяжелой воды. Работы начались 9 октября, но к концу года было готово лишь 350кг. хотя фабрика могла выпускать 140 кг. в месяц. В начале 1942г. фабрику оснастили новыми электролизерами но выпуск снизился до 91кг. в месяц.
Забегая вперед расскажем что в 1942г. в результате диверсии поставки тяжелой воды из Норвегии совсем прекратились (они возобновились лишь в июне 1943г.). В ноябре 1942г. было решено производство тяжелой воды развернуть в Германии на заводе «Лейнаверке» где должно было происходить обогащение тяжелой воды получаемой с электролизных заводов близ Мерано и Котроне в Италии.
Мощность заводов в Италии позволяла производить не более 1т. воды очень низкой концентрации (около 1%) в год. Когда 16 ноября 1943г. фабрика в Рьюкане была полностью разрушена в результате бомбардировки союзной авиации мощностей заводов в Италии стало нехватать для обеспечения нужд «уранового проекта».
Окончание см. во второй части статьи