О секретных военных технологиях Третьего Рейха написано немало статей, книг и даже сняты художественные и документальные фильмы.
Некоторые авторы этих произведений склонны приписывать немецким ученым некие феноменальные успехи, на много десятилетий опередившие свое время.
Одной из наиболее интригующих тем в этом плане является германская атомная программа: можно встретить мнение, что лишь чудо не позволило нацистам обзавестись ядерной бомбой, и что своими успехами на ниве ядерных исследований американцы обязаны в первую очередь технологиям, захваченным у нацистов.
На самом деле это не так. Немецкие ученые действительно долгое время были "впереди планеты всей" в вопросах приручения энергии атома: взять хотя бы тот факт, что именно немцы Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году открыли так называемое вынужденное деление ядер урана.
Однако ряд политических, административных и научно-технических ошибок быстро на нет их лидерство и шансы Гитлера получить "оружие возмездия". Посмотрим, как это было.
На старте ядерной гонки
Что же открыли Ган и Штрассман в 1938 году? Они установили, что ядро атома урана, поглощая нейтрон, "взрывается" на две части, попутно выделяя значительное количество энергии и несколько (в среднем 2) новых нейтронов.
При естественном распаде природный уран не очень активен – его даже можно держать в руках, хотя лучше и не злоупотреблять
Эти два нейтрона могут стать причиной деления двух других ядер урана, в результате чего выделится вдвое больше энергии и новые нейтроны – в среднем четыре. Они, в свою очередь, способны "взорвать" уже четыре атома, породив восемь нейтронов, которые могут вызвать деление уже восьми атомов, и так далее. То есть, один-единственный нейтрон вызывает лавину атомных распадов, причем новые нейтроны, необходимые для поддержания реакции, выделяются в ходе нее самой. Такие реакции в химии и физике называют цепными.
Так как атомов в веществе огромное количество, энергия, выделяемая на поздних стадиях развития этого процесса, колоссальна: 1 килограмм урана по своей энергетической ценности эквивалентен 100 тоннам угля.
Кроме того, процесс развивается лавинообразно и со значительной скоростью, а значит, большое количество энергии выделится за незначительный промежуток времени: проще говоря, произойдет мощный взрыв.
Реальное фото одного из первых атомных взрывов на атолле Бикини, США
Конечно, нацистское руководство не могло пройти мимо перспективы получить в свое распоряжение оружие невиданной мощи: по оценкам одного из ведущих на тот момент немецких физиков, Вернера Гейзенберга, снаряд, способный стереть с лица земли Москву или Лондон, мог бы быть размером с ананас.
По оценкам ученых, создание "чудо-оружия" должно было занять два-три года. Сегодня мы понимаем, что эти оценки были преувеличенно оптимистическими, однако даже они существенно охладили энтузиазм немецких чиновников к "урановому проекту". На дворе стоял 1939 год, немецкие армии и без "чудо-оружия" доминировали в Европе, на очереди был Советский Союз, где также ждали легкой победы. Проще говоря, Третий Рейх рассчитывал победить всех своих врагов и без атомной бомбы.
А вот послевоенное мирное использование атомной энергии нацистов заинтересовало, и проекту все-таки дали добро: но, во-первых, с прицелом на атомную энергетику, а не на бомбы, а, во-вторых, лишь в общем ряду с другими направлениями важных научных исследований.
В отличие от них, и англичане, и американцы в своих атомных проектах во главу угла ставили именно создание ядерного оружия, что задало немного иные приоритеты в научных разработках.
Ещё одним нюансом немецкой атомной программы было то, что ей занимались сразу несколько научных групп. Ключевую роль сыграли две: так называемая группа Дибнера, базировавшаяся в Институте физики Общества кайзера Вильгельма, и коллектив, возглавляемый одним из наиболее видных физиков-теоретиков Германии, Вернером Гейзенбергом на базе Лейпцигского университета. Обе группы вынуждены были остро конкурировать между собой за ценные и редкие материалы, требующиеся для работы, и это тот случай, когда конкуренция не шла на пользу делу.
Обеим группам ученых предстояло решить ряд непростых научно-технических проблем, и они приступили к работе.
Урановая дилемма
Ключевая сложность заключалась в том, что далеко не любой уран способен поддерживать цепную реакцию.
Уран находится в таблице Менделеева под номером 92, что означает, что в его ядре – 92 протона. Но кроме них есть ещё и нейтроны, и вот их-то в различных атомах может быть разное количество (атомы одного и того же химического элемента с различным числом нейтронов называются изотопами). Для реакции годится изотоп урана со 143 нейтронами в ядре: его ещё называют ураном-235 (по сумме протонов и нейтронов). Но беда в том, что в природном уране этот "взрывной" изотоп составляет лишь 0,72%. А 99,27% ядер природного урана имеют не 143, а 146 нейтронов (уран-238). А уран-238, хотя и «с аппетитом» поглощает нейтроны, "взрываться" не желает.
То есть, если "выстрелить" нейтроном в кусок природного урана, то скорее всего этот нейтрон попадёт как раз-таки в "пассивный" уран-238, и на этом все и закончится. А если же каким-то чудом его поглотит "активный" уран-235 и произойдёт деление, то выделившиеся нейтроны, снова-таки, скорее всего будут поглощены окружающими атомами урана-238 и будут, таким образом, потеряны.
Как обойти эту проблему?
Первый, наиболее очевидный способ, заключался в том, чтобы каким-то образом выделить из природного урана уран-235, и дальше работать уже с ним –по крайней мере значительно повысить концентрацию "взрывного" урана в топливе, то есть обогатить его. Но это проще сказать, чем сделать. По своим химическим свойствам изотопы идентичны, так что отличить один от другого можно только по массе. Но и массы урана-235 и урана-238 различаются незначительно.
Современная промышленная установка по обогащению урана – точнее, небольшая ее часть
Первую идею предложил физик Пауль Гартек. Его идея заключалась в том, что применить для разделения изотопов метод термодиффузии, уже хорошо зарекомендовавший себя при разделении изотопов других веществ. Метод довольно прост. Газообразное вещество, содержащее смесь изотопов, помещают в пространство между двумя соосными металлическими трубками. Внутреннюю трубку при этом нагревают, а внешнюю – охлаждают. В результате молекулы, содержащие разные изотопы и имеющие вследствие этого различную массу, должны иметь разную концентрацию в разных частях установки (ближе к внешней должно быть больше тяжелых изотопов, ближе к центру - легких).
Однако уран – металл, и практически не образует химические соединения, находящиеся в газообразном состоянии при приемлемых температурах. Одним из немногих исключений является соединение урана с фтором – а точнее, гексафторид урана, или шестифтористый уран, превращающийся в газ при нагревании уже до 56 градусов Цельсия.
Однако гексафторид урана – жутко неудобное для работы вещество: он бурно реагирует с водой, разъедает большинство металлов, органических соединений и даже стекло.
Самое же печальное заключалось в том, что, когда установку Гартека всё-таки построили, оказалось, что она практически не работает. Метод термодиффузии, работавший для других веществ, плохо годился для урана.
Ученые предложили по крайней мере еще шесть технологий разделения изотопов. Например, всё тот же гексафторид урана можно было поместить в центрифугу: под действием центробежных сил более тяжёлые изотопы должны были скапливаться у стенок, тогда как более легкие – у оси. Близким по сути методом было использование циклических ускорителей элементарных частиц.
Однако все эти методы были достаточно дороги и громоздки в реализации, обещали весьма скромный выход продукта, а главное, не было ясно, сработают ли они: в теории – должны, но и метод Гартека в теории должен был сработать! Всё это вызвало изрядное разочарование немецких физиков: хотя эксперименты по обогащению урана продолжались, основные участники атомного проекта решили пойти другим путем.
Эксперименты с "натурпродуктом"
В теории, существовала возможность запустить цепную ядерную реакцию и в природном уране.
Как мы уже говорили, оба основных изотопа урана поглощают нейтроны. Однако они по-разному реагируют на нейтроны различных скоростей: "пассивный" уран-238 предпочитает нейтроны тех скоростей, с которыми нейтроны образуются в результате ядерных реакций. А вот "взрывной" уран-235 охотнее поглощает более медленные нейтроны, которые не «вызывают аппетита» у урана-238. То есть, проблема обогащения снимается сама собой: нейтроны низких энергий будут поглощаться лишь ураном-235, тогда как урановый "мусор" их будет игнорировать.
Правда, возникает другая сложность: так как 99,7% атомов урана в этой ситуации становятся как бы прозрачными для нейтронов, каждый отдельно взятый нейтрон имеет неплохие шансы пролететь сквозь толщу урана вообще ни с чем не столкнувшись, после чего он улетит в окружающее пространство и также будет потерян для реакции. Это значит, что для запуска цепной реакции нужно, чтобы количество урана в устройстве было не меньше определенного значения – отсюда берётся понятие критической массы.
Первая советская атомная бомба; как видите, все же побольше ананаса
Гейзенберг подсчитал, что можно запустить ядерную реакцию, если использовать около полутора тонн природного урана. Это явно не "бомба размером с ананас", но для реактора, дающего энергию – в целом приемлемо.
Осталось только придумать, как замедлить нейтроны. Известно, что они замедляются, пролетая через некоторые вещества. Например, отлично замедляет нейтроны обычная вода – но она же их и довольно сильно поглощает. А терять нейтроны – недопустимо. То есть, надо найти вещество, которое замедляло бы нейтроны без поглощения. Наиболее перспективными оказались два кандидата: графит и так называемая тяжелая вода.
Молекула тяжелой воды, как и молекула обычной, состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Но это не обычный водород, а его более тяжелый изотоп, водород-2, или дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон (у обычного водорода нейтронов в ядре нет вообще). Такая вода встречается редко: в обычной природной воде ее содержится лишь 0,02%, то есть даже меньше, чем "взрывного" урана в природном. К счастью, отделить тяжелую воду от "легкой" несколько проще, чем разделить изотопы урана. Однако процесс ее получения все равно достаточно дорогой, медленный и требующий значительных затрат энергии. К тому же до начала атомной эры тяжелая вода практически не имела экономического применения, а значит, производилась лишь в ничтожных количествах.
А физикам ее надо было много: по расчетам Гейзенберга, около тонны на один реактор. Для сравнения, единственное производившее тяжелую воду предприятие, норвежская Norsk Hydro, давала лишь около 800 килограммов тяжелой воды в год.
Альтернативой был обычный графит – вещество распространённое и достаточно дешёвое. И тут немецкие физики совершили важную ошибку. Оценивая, годится ли графит в качестве замедлителя нейтронов, занимавшийся этим доктор Вальтер Боте пришёл к выводу, что его использовать нельзя. На самом же деле достаточно чистый графит почти идеально подходит для этих целей: именно его использовали в своём проекте американцы, да и сегодня он применяется для этого в ядерных реакторах. Однако благодаря ошибке Боте, немцы пришли к выводу, что единственным вариантом является дорогая и редкая тяжёлая вода, которой к тому же попросту не было в достаточных количествах.
Второе дыхание атомного проекта: спасительный плутоний
Тем временем, заканчивался 1941 год, и над Третьим Рейхом начали сгущаться тучи. Блицкрига в СССР не получилось. Поражение под Москвой показало, что Советский Союз вовсе не намерен рассыпаться от первого же натиска нацистских армий. Вбомбить Великобританию в каменный век также не получилось, попытки лишить ее источников сырья, уничтожив торговый флот, также не имели решающего успеха. К тому же в войну вступили США.
Гитлер продолжал заявлять нацию в неизбежной победе, однако многие правители Третьего Рейха понимали, что события приобретают неблагоприятный оборот. Нужно было средство, которое позволило бы кардинально изменить расклад сил… Эй, а где там те ученые со своими "бомбами размером с ананас"?
От участников атомного проекта стали настойчиво требовать результат, причем именно в виде бомб. Однако даже если бы цепной реакции в природном уране и удалось бы добиться, бомбы из такого урана не сделаешь – слишком уж массивным получилось бы устройство.
Спасение пришло оттуда, откуда его не ждали: выход из тупика предлагал всё тот же "мусорный" уран-238, который до сих пор был лишь помехой. Оказалось, что, поглотив нейтрон, ядро атома урана-238 претерпевает ряд трансформаций, превращаясь в итоге в элемент с порядковым номером 94, который позже назовут плутонием. И – о чудо! – оказалось, что плутоний также претерпевает вынужденное деление, выделяя при этом нейтроны, то есть, годится для поддержания цепной ядерной реакции.
Один из изотопов плутония, плутоний-238, настолько активен, что нагревается до значительных температур от энергии естественного расапада!
Напрашивалась следующая концепция: ядерный реактор из природного урана и тяжёлой воды может быть использован для облучения нейтронами урана-238 с его превращением в плутоний. А затем этот плутоний можно собрать и сделать из него бомбу! Конечно, в процессе работы реактора в плутоний превратится лишь незначительная часть урана; но это ведь будет уже другой химический элемент, и его можно отделить более простым химическим путем! Эврика!
Оставалось лишь построить работающий ядерный реактор. А для этого нужна была тяжёлая вода. Много тяжелой воды.
Для того, чтобы увеличить производство вещества, Рейх финансирует масштабную модернизацию Norsk Hydro, которая в теории позволяет увеличить производство до полутора тысяч тонн в год. Попутно закладываются мощности по производству тяжелой воды в самой Германии – ведь для того, чтобы делать много бомб, потребуется много реакторов, а значит, много тяжелой воды.
Битва за воду
Активность немцев в Норвегии не укрывается от бдительного взгляда британской разведки. Британцы к тому моменту уже сами работают над атомным проектом, и смысл происходящего был им вполне понятен. Значит, необходимо было любой ценой помешать немцам получить нужное количество тяжёлой воды.
Изначально мощности Norsk Hydro планировали попросту разбомбить. Однако Norsk Hydro – это в первую очередь гидроэлектростанция, имеющая большое значение для экономики Норвегии. А та, хоть и под немецкой оккупацией, а все-таки союзник! Поэтому было решено прибегнуть к более деликатному методу: забросить на объект диверсионную группу. Проект завершился успехом: 21 ноября 1942 года, в тот самый день, когда началось советское наступление под Сталинградом, на Norsk Hydro прогремели взрывы, выведшие завод из строя. Поставки тяжёлой воды были прерваны.
Пока устраняли последствия диверсии, обе "атомные группы" продолжали отрабатывать другие проблемы, связанные с реализацией проекта. Так, в феврале в Лейпциге группа Гейзенберга создает первый экспериментальный реактор: алюминиевую сферу, в которую поместили 750 килограммов металлического урана и 140 кило тяжелой воды. Затем сферу поместили в бассейн с обычной водой (для охлаждения и предотвращения утечки вредных для здоровья наблюдателей нейтронов) и стали наблюдать.
Результаты были обнадеживающими. На поверхность сферы выходило на 13% больше нейтронов, чем давал источник – ампула со смесью бериллия и радия. Это значило, что атомы урана успешно захватывают нейтроны и делятся. Правда, большая часть нейтронов все же теряется, и цепная реакция не устанавливается, но так оно, собственно, и должно было быть: реактор ведь был существенно меньше расчетной критической массы. Цель была в том, чтобы проверить, работает ли данная схема реактора в принципе. Она работала.
23 июня в лаборатории происходит мощный взрыв. Вероятно, герметичность оболочки реактора оказалась нарушена, и внутрь проникла вода. А при взаимодействии воды с ураном выделяется водород, который, смешиваясь с кислородом воздуха, образует гремучую смесь. Никто из учёных не погиб, однако реактор был полностью уничтожен – а с ним и значительное количество драгоценной тяжелой воды и урана.
Тем временем, удается восстановить уничтоженное взрывом на Norsk Hydro, завод снова готов поставлять тяжёлую воду. Узнав об этом, англичане, уже не обращая внимания на протесты норвежских "союзников", отправляют армаду бомбардировщиков, которые полностью стирают завод с лица земли вместе с расположенным по соседству городком. Кроме того, удается пустить ко дну транспорт, везущий в Германию крупную партию тяжелой воды. Германскому атомному проекту был нанесён мощнейший удар. Остаются, правда, слабые надежды на ввод в производство новых мощностей в самой Германии, а также около двух с половиной тонн тяжёлой воды, уже накопленной за предыдущие годы. Этого может хватить.
В конце 1943 года рейхсминистр вооружений Альберт Шпеер анонсирует скорое создание супероружия, которое позволит Германии выиграть затяжную войну. Пропаганда подхватывает этот тезис и до самого конца войны пытается с его помощью поддержать пошатнувшийся военный дух нации.
Последний рывок
Ядерный проект вступает в решающую фазу: в Берлине приступают к строительству бункера, в котором должны собрать первый рабочий немецкий ядерный реактор. В нём планируют использовать 2000 килограммов урана и 1,5 тонны тяжелой воды.
Запуск реактора запланирован на май 1944 года. Однако успеть в срок не удается: завод Degussa, производящий металлический уран из руды, несколько раз сильно бомбят. Темпы производства существенно падают.
Тем временем, важнейшего успеха удается добиться группам, всё это время работавшим над задачами обогащения урана: профессор Хартек Берлине, Манфред фон Арденн в Лихтерфельде и доктор Грот во Фрайбурге создали три действующие по совершенно различным принципам, но в равной степени рабочие экспериментальные установки по разделению изотопов. Увы, слишком поздно: "тяжеловодный" проект уже зашел слишком далеко, времени переключаться на новую технологию нет. К тому же все три установки работали с вышеупомянутым гексафторидом урана, а мощности по его производству также уничтожены бомбардировками.
В конце 1943 года в ходе массированной бомбардировки Франкфурта заводские цеха фирмы Degussa оказываются совершенно разрушены, возобновить производство в ближайшие годы не удастся. Ученые могут располагать лишь тем количеством урана, которое успели произвести.
По большому счету, это был конец: даже при самом благополучном развитии событий, урана для создания существенного арсенала ядерного оружия у Германии уже не было.
Однако Гитлер продолжает верить в атомный проект. Он убежден: достаточно сбросить одну-единственную бомбу, и союзники, устрашившись мощи нового оружия, пойдут на переговоры. Правительство Рейха продолжает форсировать работы. Сами ученые также проявляют удивительный в этих условиях энтузиазм: им-то лучше кого бы то ни было понятно, что бомбу до конца войны закончить не удастся. Но их влечёт уже чисто спортивный интерес войти в историю первыми в мире покорителями энергии атома!
Если бы все они знали, что к тому моменту атомный реактор уже два года как работает в Чикаго…
Первый в мире ядерный реактор – он же "Поленница Ферми"
Из-за бед завода Degussa, запуск реактора в Берлине переносят на ноябрь, затем на декабрь. Наконец, назначена окончательная дата: 30 января 1945 года. Однако на сей раз график ломает стремительное советское наступление. Буквально накануне руководство института принимает решение эвакуироваться из оказавшегося перед лицом штурма Берлина на юго-запад Германии – в деревеньку Хайгерлох недалеко от Штутгарта. Перевозка материалов и оборудования, а также монтаж реактора на новом месте занимает более месяца.
В середине марта в аппарат загружают уран и заливают тяжелую воду, и… ничего не происходит.
Гейзенберг ошибся в расчетах. Его реактор был слишком маленьким. Он мог бы заработать, но для этого в нем должно было быть почти 10 тонн урана и 5 тонн тяжелой воды – короче, вчетверо больше, чем у него было, и вдвое больше, чем было создано в Германии за всё время реализации ядерной программы…
22 апреля в Хайгерлох входят французские войска. Но ещё раньше там побывали американцы – бойцы спецподразделения "Алсос", созданного специально для охоты за немецкими атомными секретами. Вопреки распространенному мнению, сами по себе немецкие технологии их не интересовали: к тому моменту США уже ушли далеко вперед. Однако они не знали, что немцы в реализации своего проекта зашли в глухой тупик, и очень не хотели, чтобы результаты их работ достались СССР, а французам в этом плане они не доверяли. Забрав из Хайгерлоха все ценное, американцы взорвали реактор и покинули деревеньку, когда на горизонте уже показались передовые отряды французов.
Американцы у немецкого реактора незадолго до его подрыва
У немцев не было и шанса создать атомную бомбу в 1945 году. Даже если бы реактор заработал, то им понадобилось бы еще как минимум 2-3 года на то, чтобы создать с его помощью ядерное оружие. Даже если бы это случилось в мае 1944-го, как и было запланировано, времени все равно не хватило бы.
В 1939-1942 годах немцы были безусловными лидерами ядерной гонки. Если бы нацистское руководство с самого начала сосредоточило ученых именно на разработке бомбы, то те неизбежно оказались бы вынуждены решать проблему обогащения урана, которая вышла бы на передний план, а не была отставлена в сторону, как второстепенная. Вполне возможно, в таком случае она могла бы быть решена еще в 1941-1942 годах. И даже ошибка Бове, совершенно напрасно отбросившего возможность использовать графит в качестве замедлителя, им бы не помешало: на обогащенном уране реактор мог бы работать и с обычной водой. Однако они совершили обе ошибки сразу: отказались и от обогащения, и от графита. Это, а также драматическое для Германии течение войны, поставило крест на всех надеждах на "супероружие".
И это, безусловно, к лучшему: хуже Гитлера может быть только Гитлер с ядерной бомбой!