3. Золотой ключик к заветной двери

В автобус в утренний час набивалось столько пассажиров, что лишь счастливцам доставались сиденья. Зельдович уцепился рукой за ремень, свисавший с перекладины, и ритмично покачивался. Покачивание располагало к размышлению. В голове возник отчетливый, как на бумаге, расчет скорости и пределов распространения пламени; как раз вчера появились новые соображения по этому поводу, надо было их продумать.

Сзади до него донесся знакомый тенорок:

— Яша, идите ко мне! Яша, вы слышите?

Зельдович оглянулся. У задней двери, сдавленный прихлынувшей толпой, обеими руками цеплялся за ремень Померанчук. Зельдович хотел крикнуть приятелю, чтобы тот пробирался к нему, но вместо этого, энергично отпихивая напиравших к выходу, стал проталкиваться назад.

— Здравствуйте, Яша, — сказал Померанчук. У него от толчков сползали очки, он поправлял их левой рукой и снова хватался за ремень обеими руками. — Вы читали статью Перрена?

Зельдович не сомневался, что разговор пойдет о науке. У Померанчука не бывало иных разговоров, кроме научных. В последнее время стали модными занятия, отвлекавшие от основных забот, — спорт, пикники, составление коллекций, живопись, резьба по дереву и камню. Померанчук знал лишь одну страсть — к науке. Тех, кто ею не увлекался, он избегал.

— Яша, надо прочесть статью Перрена, — продолжал Померанчук. — Она написана специально для вас. Я хочу, чтобы вы прочли Перрена, Яша.

Дорога пошла хуже, автобус все резче потряхивало на колдобинах. Зельдович легко амортизировал удары, он умел ловко пружинить и расслаблять мускулы. Померанчук, если бы не спасительный ремень, падал бы при каждом сильном толчке. Зельдович удивился. Зачем ему статья Перрена? Он знает о нем только то, что этот французский теоретик работает с Жолио. Область его интересов далека от всего, что занимает Зельдовича. В недавно защищенной докторской диссертации Зельдович развил теорию окисления азота при горении и взрывах, он и дальше продолжает эту тему. Взрыв, процесс, начинающийся с единичной молекулярной реакции и стремительно разветвляющийся, — что может быть увлекательней? Нет, труды Перрена не могут заинтересовать его!

Померанчук кивал так, словно приятель подтверждал какую-то очень важную для него мысль и он с ним согласен. А сказал он совсем иное:

— Они вас заинтересуют, Яша. Это Перрен, я слышал его, когда он приезжал на ленинградскую ядерную конференцию, он же интереснейший физик, Френсис Перрен. Спросите Исая Гуревича, Исай тоже был на конференции. Перрен только что опубликовал статью о вулканизме. Он считает, что происхождение вулканической деятельности надо искать в цепной реакции деления урана, самопроизвольно возникающей в недрах земли.

Зельдович вспомнил, что такую же идею о причинах вулканизма как-то высказал на нейтронном семинаре Георгий Флеров. Ну и что? Все сочли идею фантастической! Померанчук как бы не услышал возражений. Он продолжал говорить о статье Перрена. У Перрена не одна идея, но и математический расчет. Он вводит новые понятия — критический объем и критическую массу реагирующего вещества. Он показывает, что если масса урана меньше критической, то цепная реакция в нем не разовьется. Он вычислил, что если взять порошкообразную окись урана и спрессовать ее, то в шаре из такой массы с радиусом всего в 130 сантиметров и весом всего в 42 тонны любой влетевший нейтрон непременно вызовет цепную реакцию распада ядер. В природе возможны условия, когда при рудообразовании потоки урановых минералов сливаются в какой-нибудь расщелине в объем, допускающий цепную реакцию. Если поискать около вулканов, то, может быть, найдут продукты распада урана — это было бы доказательством уранового происхождения вулканизма.

— Я вспомнил о вас, Яша, когда читал Перрена, потому что вы же специалист по цепным реакциям. Ваша докторская диссертация — это же сплошная химическая кинетика. У вас в институте все занимаются цепными реакциями, разве не так? У вас появился там даже научный снобизм: ценятся только те работы, где упор делается на кинетику процесса, а не на окончательные результаты. Или не так? А что такое урановая цепная реакция? Разновидность того же кинетического процесса, что и ваши горения и взрывы! Нет, Яша, вам эти понятия ближе, чем Перрену.

Зельдович должен был согласиться, что друг во многом прав. Проблемы химической кинетики, точно, были главными в их институте, и важность работ оценивалась по тому, насколько в них глубоко разрабатывалась кинетика, — это можно было назвать и научным снобизмом.

Самый крупный специалист по цепным реакциям после Семенова — Харитон, — сказал Зельдович. — Юлий Борисович, кстати, интересуется и ядерными проблемами, это старое его увлечение.

— Правильно, он! — обрадовался Померанчук. — Идите к Юлию Борисовичу. Если вы с Ю-Бе займетесь ураном, плохого не получится, будет только хорошее. Вас больше не надо убеждать, Яша?

Зельдович уже был убежден, что стоит заняться проблемой цепных ядерных реакций. «Урановая лихорадка», охватившая физиков мира, докатилась наконец и до него.

Они вместе вышли из автобуса. Померанчук, поправляя непрерывно сползавшие очки, улыбался — он привил другу хорошую болезнь.

Вдруг его охватили угрызения совести. Они давно не виделись, а он и не поинтересовался, как у Зельдовича домашние дела. Зельдович был не только молодой доктор наук, но и молодой муж и еще более молодой отец. Два года назад он женился на Варе Константиновой, физике, как и он. В прошлом году у них родилась дочь Оля. Смущаясь оттого, что разговор пошел не о науке, а о «жизни», Померанчук осведомился, как жена и ребенок. С Варей и Олей все было хорошо. Померанчук успокоенно закивал головой и пошел по своим делам.

В институте Зельдович не мешкая направился к Харитону. Они не были близкими друзьями: мешала разница опыта и возраста — Харитон, на десять лет старше, руководил большой лабораторией, редактировал на правах заместителя Вавилова физический журнал. Но они часто встречались в институте и на семинарах, беседовали и спорили.

Юлий Борисович Харитон начинал с физики: стажировался в Англии у Резерфорда, получил степень доктора Кембриджского университета. Казалось тогда, все его научные поиски связаны с ядром. Курчатов в это время работал с карборундовыми выпрямителями. Оба почти одновременно сделали крутой поворот: Курчатов углубился в ядро, Харитон отошел от ядра. С приходом Гитлера в мире зловеще запахло порохом. Харитон раньше своих друзей понял, что изменившаяся обстановка накладывает отпечаток на науку. Война неотвратимо надвигалась, надо было к ней готовиться. Харитон углубился в быстро протекающие химические реакции. Горение, пламя, взрыв стали в его лаборатории темой научных исследований. Но интерес к ядерным проблемам сохранился — на него и рассчитывал молодой доктор физико-математических наук, торопясь к товарищу.

Оба склонились над взятой из библиотеки статьей Перрена. Французский физик задался целью вычислить ту массу урана, при которой возможна цепная реакция его распада. В малом куске урана много вторичных нейтронов вылетает наружу, это не позволит цепной реакции развиться. Нужен такой объем, чтобы вторичные нейтроны, почти полностью поглощаясь внутри, тратились только на разжигание «цепи». Физиков до сих пор интересовали константы отдельной ядерной реакции. Перрен шел дальше, от единичной ядерной реакции переходил к суммарным процессам: описывал процесс, порождающий ядерный взрыв в большой массе урана. Микрофизика ядра становилась макрофизикой больших масс и объемов.

Перрен наполнил свою статью математическими расчетами, математика была убедительная. Но оба физика сразу увидели, что о кинетике цепных процессов он имел представление туманное.

— Мне кажется, Перрен плохо учитывает, сколько нейтронов поглощается, не вызывая деления, — сказал Харитон. — Начнем с того, что выпишем константы, без которых не произвести вычисления.

Все известные константы были сведены в таблицу. Расчет показал, что цифры Перрена нереальны. В шаре урана весом в 42 тонны деление гасло, едва начавшись. Если легкий изотоп и распадался, выбрасывая около трех нейтронов, то тяжелый поглощал их, не допуская нового деления. Правда, при делении выбрасывались и очень быстрые нейтроны, они делили и тяжелый изотоп. Но энергия четырех из пяти таких нейтронов быстро опускалась ниже одного миллиона электрон-вольт: Флеров и Петржак, чуть начав совместную работу, установили, что нейтроны с энергией ниже этого предела делить тяжелый изотоп не могут. Цепная реакция могла бы еще пойти, если бы при делений выделялось больше пяти нейтронов. Но последние эксперименты говорили о 2,5–2,7 нейтрона в среднем.

Оба физика долго рассматривали цифры, убивавшие лихорадившую научный мир «урановую сенсацию». Проекты быстрого приручения гигантской энергии распада ядра были не больше чем мечтания.

— Мы взяли сравнительно небольшой объем урана, — попытался раскритиковать выводы Харитон. — Часть нейтронов вылетает наружу, это осложняет ситуацию.

— Ну что ж, возьмем бесконечный объем, Юлий Борисович! Учтем все нейтроны, освобождающиеся при делении.

Новое вычисление показало, что цепная реакция могла возникнуть лишь при средней энергии вторичных нейтронов около трех миллионов электрон-вольт.

— Пойдемте к Курчатову, — предложил Харитон.

Курчатов сразу оценил важность короткого вычисления. Эксперименты показывали, что средняя энергия вторичных нейтронов колеблется около двух миллионов. Цепная реакция на быстрых нейтронах в натуральном уране была невозможна.

В крупнейших лабораториях мира в эти минуты вновь и вновь с лихорадочной поспешностью, с неослабевающей настойчивостью ставились опыты, чтобы практически обнаружить цепное деление урана. Все эти без конца повторяющиеся попытки были неизбежно обречены на неудачу.

Радостно блестя глазами, Курчатов напомнил о недавнем споре:

— Ваш расчет гарантирует и от того, что кусок урана в лаборатории вдруг взорвется, превратив в радиоактивную пыль все окружающее!

Его и огорчало, что возможность легкого высвобождения энергии урана оказалась нереальной, и радовало, что отпадала и вторая возможность: где-то воспользуются открытием физиков для тайной разработки истребительного оружия. Курчатов посоветовал проделать такие же вычисления для медленных нейтронов. Если в смеси урана и замедлителя быстро уменьшать энергии вторичных нейтронов ниже резонансной области, то они будут делить только легкий изотоп, а тяжелый останется пассивной массой. Не пойдет ли тогда цепная реакция? Уран и на одном легком изотопе будет топливом, потенциально в 100 000 раз более эффективным, чем уголь!

В этот день Курчатов мысленно непрестанно возвращался к разговору с обоими физиками. Харитон — прекрасный экспериментатор, незаурядный теоретик, Зельдович — блестящая голова, этот человек легко находит верные пути в запутанных проблемах. Сотрудничество двух таких ученых не может не дать эффекта. Эффект уже есть: оба начали работу, которая станет этапом в исследовании урана. В страшной сумятице сегодняшних экспериментов, в путаном лесу разных мнений они прорубают широкую просеку — единственный путь к истине.

И Курчатов думал, что есть научная справедливость в том, что эта этапная работа начата в нашей стране и ведется именно в Институте химической физики.

Хоть наука и едина, говорил себе Курчатов, но есть открытия, какие легче совершить в этой, а не другой стране В каждой свой дух, свой стиль исследования. Жолио, можно сказать, держал нейтроны в руках, но не открыл их, а открыл Чадвик — Кембриджу нейтрон был по духу ближе. И что тот же Жолио открыл искусственную радиоактивность, естественно: дух радиоактивности царит в Институте радия в Париже. А в Ленинграде, в Институте химической физики, глубже всех в мире познали тайны цепных реакций горения и взрыва. И естественно, что два талантливейших ученика Семенова, применив свое глубокое понимание цепных процессов к делению урана, сразу же нашли путеводную нить в хаосе. Макрофизики продолжили дальше работу микрофизиков.

Вскоре Курчатову сообщили, что получены новые результаты. На доске нагромождались и стирались формулы. Что высвобождение ядерной энергии на быстрых нейтронах в натуральном уране невозможно, было доказано уже в первом вычислении. Но и реакции с замедлителями не радовали легкостью. В сочетании натурального урана с водой разветвляющаяся цепь быстро обрывалась — вода не только замедляла, но и поглощала нейтроны, выводя их из реакции. Лишь замедлитель, не поглощающий нейтронов, обещал успех. Таким замедлителем могла быть тяжелая вода, также, возможно, гелий и углерод.

Зато неожиданно и грозно складывались выводы в том случае, если натуральный уран немного обогатить легким изотопом. Достаточно увеличить содержание урана-235 вдвое, то есть до 1,4 %, как становилась возможной быстро протекающая цепная реакция.

Курчатов задумчиво сказал:

— Итак, при обогащении урана в два раза — взрыв, если взять бесконечный объем материала. Случай чисто теоретический. А, скажем, обогащение в пять, в десять раз? Какой тогда понадобится объем? Он, наверно, будет не так уж велик. А если чистый уран-235? Сколько нужно его, чтобы произошел взрыв?

— Несколько килограммов будет достаточно.

— И эти несколько килограммов станут ужасной урановой бомбой! — с волнением воскликнул Курчатов. — И каждый килограмм такой взрывчатки будет мощней, чем десять тысяч тонн динамита. Счастье для человечества, что нет технических средств разделения изотопов урана!

— Но они могут появиться, эти технические средства разделения изотопов, Игорь Васильевич.

Курчатов отмахнулся от возражения:

— Оставим взрывы в стороне! Было бы бесчеловечно разрабатывать урановую взрывчатку. Но ядерная энергия для мирных целей — вот цель, какой можно посвятить всю жизнь! Вы сделали великую работу! Вы нашли тот магический золотой ключ, который способен отпереть заветную дверь в кладовой внутриядерной энергии. И даже не один ключ, а целых два — обогащение урана и применение эффективного замедлителя. Всего полтонны натурального урана и пятнадцать тонн тяжелой воды обеспечат контролируемое выделение урановой энергии, так ведь? Пятнадцать тонн тяжелой воды, как и обогащение урана, — пока вне наших возможностей. Но это уже вопрос уровня промышленности, а не уровня науки. Ключ, отпирающий энергетические кладовые ядра, очень сложен, но конструкция его ясна, можно попытаться его изготовить!

Харитон заметил, что канадец Демпстер, доказавший, что уран состоит из нескольких изотопов, разделял их электромагнитными сепараторами. Это невероятно дорого и невероятно сложно. Но почему не попробовать скоростные центрифуги? Харитон еще два года назад предложил центрифугирование для разделения изотопов кислорода, хорошо бы воспользоваться им и для сепарации урана. Поставить такие центрифуги в линию и просасывать через них газообразные соединения урана. Можно достигнуть любой степени обогащения, вплоть до стопроцентной чистоты!

— Итак, перспектива ясна, — резюмировал Курчатов. — Продолжаем наши работы. У меня в лаборатории — определение констант деления, вы — теорию процесса в большой массе урана. Давайте, давайте уточнять конструкции найденных вами ключей, отпирающих двери к ядерной энергии!

Харитон и Зельдович познакомили со своими расчетами Гуревича и Померанчука. Оба дали ценные советы. Померанчук порадовался, что интерес к делению урана, привитый им Зельдовичу, так быстро дал результаты. Гуревич стал производить аналогичные расчеты для другого расщепляющегося материала — протактиния.

Вскоре оба физика завершили третью работу по цепному распаду урана. Они теперь рассматривали два принципиально разных процесса: почти мгновенный взрыв, когда быстро сближающиеся два докритических по объему куска урана в сумме образуют сверхкритическую массу; и когда используются замедлители и реакция поддается контролированию.

Изучая приближение массы урана к тому критическому объему, когда становится возможной реакция с разветвляющимися цепями, типичная цепная реакция, они обнаружили, что в этот момент даже очень слабые посторонние факторы начинают мощно влиять, гася процесс. Они пришли к выводу, что «взрывное использование цепного распада требует специальных приспособлений для весьма быстрого и глубокого перехода в сверхкритическую область и уменьшения естественной терморегулировки», — то есть в первую очередь защиты от стремительного расширения массы и потери ею критических свойств.

Зато много проще была картина реакции на медленных нейтронах. Впервые привлекая к расчету нейтроны, вырывающиеся из ядра не мгновенно, а с небольшой задержкой, физики показывали, что эти запаздывающие нейтроны, хотя их и очень мало, существенно помогают регулировке процесса. Вывод был ясен: плавное, надежно контролируемое выделение энергии в атомном котле вполне реально и поэтому можно ожидать в ближайшее время попыток осуществления процесса.;

Это и был тот вывод, на который надеялся Курчатов. Урановая бомба принципиально возможна, но практически ее не создать. Можно не страшиться собственной работы, можно не бояться, что силы зла используют открытия физиков для изготовления сверхразрушительного оружия. Зато путь к мирному использованию внутриядерной энергии открыт. Тоже нелегкий и не скорый, но реальный.

Расчеты химико-физиков, столь успешно примкнувших к отряду ядерщиков, открывали новую главу в изучении деления урана. В августе 1939 года, еще до третьей работы Зельдовича и Харитона, в Москве в студенческое общежитие на Спиридоньевской пришел профессор Тамм. В общежитии задумали вечеринку, собрались аспиранты и студенты старших курсов. Тамм объявил столпившимся вокруг ученикам:

— А знаете новость? Харитон с Зельдовичем рассчитали, что возможна урановая бомба, взрыв которой снесет всю Московскую область!

Один из участников этой встречи, Игорь Головин, тогда аспирант Тамма, вспоминал впоследствии, что сообщение профессора вызвало не ужас, а ликование. То была дань восхищения перед могуществом науки, преклонение перед ее успехами. Ни у кого и мысли не могло появиться, что кто-то вознамерится реально изготовить такое адское оружие.