Среди ученых, занимавшихся изучением результатов облучения урана потоком нейтронов, были Отто Ган и Лизе Мейтнер, которые двадцатью годами ранее открыли протактиний. Ожидая получить среди продуктов реакции радиоактивные изотопы радия, О. Ган и Л. Мейтнер попробовали получить их соли, чтобы впоследствии осадить вместе со сходными по химическим свойствам солями бария. Однако тщательный анализ выделенных солей показал, что, оставаясь радиоактивными, они, тем не менее, не содержат изотопов радия.
Отто Ган (1879–1968)
Примерно в 1938 г. О. Ган предположил, что осажденные соли могут содержать радиоактивные изотопы самого бария, образовавшиеся в результате бомбардировки урана. Такие радиоактивные атомы было практически невозможно отделить от обычного бария химическими методами. Поскольку все известные к тому времени ядерные реакции приводили к изменению порядковых номеров элементов на одну или две единицы, О. Ган сомневался в истинности получения радиоактивных изотопов бария. Переход от урана к барию означал, что порядковый номер элемента уменьшился на 36 единиц. Следовательно, можно было предположить, что произошло деление ядра урана на приблизительно равные части. О. Ган не решался обсуждать публично факт расщепления ядра атома урана.
В этот момент, как это часто можно проследить в истории науки, направление научных исследований претерпело сильное изменение под влиянием политической ситуации в мире. Европа стояла на пороге Второй мировой войны. В 1938 г. фашистская Германия осуществила аншлюс — насильственное присоединение Австрии к Третьему рейху. Лизе Мейтнер имела австрийское гражданство и была вынуждена эмигрировать в Швецию. Здесь она опубликовала теорию О. Гана о том, что ядра атомов урана расщепляются при бомбардировке.
Лизе Мейтнер (1878–1968)
Эта статья имела большой резонанс, поскольку ученые поняли, к каким трагическим последствиям может привести открытие этого явления. Если атом урана делится на два меньших атома, суммарное количество нейтронов в которых меньше, чем у исходного урана, то эти избыточные нейтроны должны излучаться, что в свою очередь вызовет расщепление других ядер урана. Число нейтронов и расщепляющихся ядер урана будет стремительно нарастать со временем. В результате произойдет цепная ядерная реакция, подобная обычной химической реакции, например, между хлором и водородом. Однако в результате ядерных реакций происходит выделение несоизмеримо большего количества энергии, чем при химических превращениях. Физики все мира осознавали, что последствия открытая цепной ядерной реакции могут быть чрезвычайно опасными для человечества.
Правительство США и руководство нацистской Германии, понимая, какая смертоносная энергия может быть высвобождена в результате цепной реакции, отдали приказ своим ученым приступить к созданию ядерного оружия. Научно-промышленная программа США по созданию первой атомной бомбы в 1942–1945 гг. получила кодовое название «Манхэттенский проект». Проект получил свое название от округа Манхэттен, где находится Колумбийский университет, к числу сотрудников которого принадлежали многие участники этой программы. Всей работой ученых и инженеров руководили физик Роберт Оппенгеймер и генерал Лесли Гроувс. Были привлечены беспрецедентно огромные научные силы, промышленные, материальные и финансовые ресурсы (первоначально проект оценивался в 6 тыс. долларов, а реально на него было затрачено 2 млрд. долларов). Основные работы и испытания шли в г. Ок-Ридже (шт. Теннеси) и г. Лос-Аламосе (шт. Нью-Мексико).
При выполнении проекта «Манхэттен» трудностей оказалось намного больше, чем предполагалось в самом начале. Прежде всего, выяснилось, что осуществление цепной ядерной реакции возможно лишь при достижении достаточно большой так называемой критической массы. Такого количества урана еще просто не было, поскольку до 1940 г. как таковой уран не использовался в промышленных масштабах. Второй по важности была задача разработать эффективный способ замедления нейтронов, чтобы повысить вероятность их поглощения ураном. В качестве таких замедлителей стали использовать графитовые блоки или тяжелую воду D2O, в которой обычный атом водорода замещен дейтерием.
Роберт Оппенгеймер (1904–1967)
Схема стадий процесса деления атомного ядра: а — попадание нейтрона в ядро; б — зарождение осколков деления; в — исчезновении перетяжки между осколками; г — осколки разлетаются в разные стороны с выделением энергии
Еще одна проблема возникла вследствие того, что не каждый атом урана, поглотивший нейтрон, подвергался ядерному расщеплению. Деление ядер наблюдалось только у изотопов 23592U, содержание которых очень мало в природных соединениях урана. Поэтому чрезвычайно остро встала необходимость создания промышленной технологии разделения и накопления изотопа 23592U. Ученые установили, что в этих целях лучше всего использовать гексафторид урана, поскольку это соединение, образованное разными изотопами, отличалось температурой кипения. Другими словами, для разделения изотопов 23592U и 23892U можно было использовать простую перегонку. После открытия плутония, который, как выяснилось, также подвергается ядерному расщеплению, было налажено его промышленное производство.
В работах по созданию атомной бомбы очень важную роль сыграл Э. Ферми, который в 1938 г. покинул Италию и эмигрировал в США. В начале декабря 1942 г. первый в мире атомный реактор, работавший на уране, оксиде урана и графите, был приведен в рабочее «критическое состояние». В нем постоянно могла поддерживаться цепная ядерная реакция, в результате которой выделялась огромная по тем временам энергия.
К 1945 г. были изготовлены устройства, принцип действия которых был основан на сближении двух порций урана 23592U в результате взрыва небольшого тротилового заряда. В результате соединения этих двух порций общая масса урана превышала критическую, вследствие чего спонтанно начиналась неуправляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся взрывом неведомой к тому времени силы.
Испытание первой атомной бомбы (или правильнее — бомбы расщепления) было произведено 16 июля 1945 г. на пустынном полигоне в Аламогордо (шт. Нью-Мексико). В конце 2-й мировой войны в США были созданы еще две авиационные бомбы с ядерным зарядом. По приказу президента США Г. Трумэна летчики американских ВВС сбросили эти бомбы с тротиловым эквивалентом по 20 тыс. тонн каждая на японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа 1945 г.). Взрывы атомных бомб вызвали большие разрушения в этих городах и огромные жертвы среди мирного гражданского населения. В Хиросиме было убито и ранено более 140 тыс. жителей, а в Нагасаки около 75 тыс. человек. В дальнейшем несколько сотен тысяч японцев умерло в результате лучевой болезни, вызванной последствиями атомной бомбардировки. Применение атомного оружия против мирного населения не было вызвано военной необходимостью, поскольку японская армия терпела поражения на всех фронтах и ее капитуляция была предрешена. Американские правящие круги, спекулируя на временной монополии США в области ядерного оружия, пытались использовать его для устрашения других стран и народов, прежде всего — СССР.
Во время Второй мировой войны руководство Советского Союза из секретных источников регулярно получало разведывательную информацию о состоянии исследований по ядерным проектам в фашистской Германии и Соединенных Штатах. Необходимо подчеркнуть, что эксперименты в области ядерной физики советские ученые вели еще с 30-х гг. XX столетия. В 1940 г. сотрудники Ленинградского физико-технического института Г.Н. Флёров и К.А. Петржак открыли новый тип радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана{488}. Летом 1942 г. молодой офицер Флёров написал с фронта письмо И.В. Сталину, в котором объяснил, почему необходимо заниматься ядерной бомбой и спрогнозировал основные направления технологии ее изготовления[43].
Осознавая нарастающую угрозу ядерной войны, правительство СССР организовало группу выдающихся инженеров и ученых-физиков, работу которой по созданию собственного атомного оружия возглавил академик Игорь Васильевич Курчатов. В то трудное военное время советские ученые-атомщики и инженеры
самоотверженно отдавали себя работе, прекрасно понимая, что от результатов их коллективного труда зависит итог кровопролитной Второй мировой войны.
В 1943 г. был основан Институт атомной энергии, первым директором которого стал И.В. Курчатов. Усилия советских специалистов не пропали зря: монополия США на ядерное оружие оказалась недолгой. В 1946 г. под руководством И.В. Курчатова был создан первый в Европе ядерный реактор. Уже в 1947 г. атомные «секреты» американцев были полностью раскрыты советскими учеными, а в августе 1949 г. в СССР был произведен экспериментальный взрыв атомного устройства, что привело к полному краху попытки атомного шантажа со стороны правящих кругов США. Поистине героический труд советских ученых, инженеров и рабочих позволил предотвратить развязывание третьей мировой войны, в которую могли вылиться нарастающие противоречия между бывшими союзниками по антигитлеровской коалиции.
Заслуги этих специалистов перед Родиной были высоко оценены правительством Советского Союза. Например, И.В. Курчатов был четыре раза удостоен Государственной премии СССР (1942, 1949, 1951 и 1954 гг.) и трижды представлен к званию Героя социалистического труда. Его именем назван созданным им Институт атомной энергии и город в Курской области.
Игорь Васильевич Курчатов (1902-1960)
Творческий потенциал возглавляемой И.В. Курчатовым группы ученых и инженеров был очень высок. В своих исследованиях в начале 50-х годов советские ядерщики уже опережали американских коллег. Они установили, что выделением большого количества энергии сопровождается не только деление тяжелых ядер, но и объединение двух легких ядер в одно более тяжелое (термоядерный синтез). Колоссальное количество энергии выделяется, например, при соединении ядер водорода с образованием атома гелия. Однако для того, чтобы заставить объединиться атомы водорода, необходимо преодолеть заслон из электронных облаков, что само по себе требует больших энергетических затрат. Реакции термоядерного синтеза происходят в глубинах Солнца и других звезд.
Сразу после создания ядерной бомбы ученые США и СССР, которые к тому времени из союзников по борьбе с фашизмом превратились в соперничающие державы и находились в состоянии «холодной войны», сконцентрировали свои усилия на создании еще более разрушительного оружия — так называемой водородной, или термоядерной бомбы. В начале 50-х годов XX столетия ученые-ядерщики нашли источник энергии, необходимой для осуществления термоядерного синтеза. В качестве такого источника было решено использовать энергию ядерной бомбы, или бомбы расщепления.
Советские ученые и инженеры под руководством И.В. Курчатова в этой гонке сумели опередить своих американских коллег. В 1953 г. Советский Союз впервые в мире провел испытательный взрыв водородной бомбы. В США такие испытания были осуществлены лишь год спустя.
Итогом гонки ядерных вооружений двух держав стало создание оружия, разрушительный потенциал которого в тысячи раз больше, чем у первых ядерных бомб. Одна термоядерная бомба в состоянии разрушить самый крупный город мира. Если взорвать все имеющиеся сейчас термоядерные бомбы, то взрывная волна, пожары и радиоактивные осадки уничтожат все живое на Земле.
Еще на заре гонки ядерных вооружений многие ученые с мировыми именами выступали с категорическими предостережениями по поводу катастрофических последствий освобождения ядерного джинна. Наиболее известным среди них был А. Эйнштейн. В 1940 г. он подписал воззвание к президенту США, в котором говорилось об опасности создания ядерного оружия в Германии. Однако это письмо возымело обратное действие: оно стимулировало американские ядерные исследования. Против создания водородной бомбы в начале 50-х гг. XX столетия выступил один из руководителей ядерной программы «Манхэттен» Р. Оппенгеймер. В 1953 г. он был обвинен правительством США в «нелояльности» и отстранен от секретных работ.
Однако использовать энергию расщепления ядра или термоядерного синтеза можно не только с целью разрушения. Если процесс получения энергии поддерживать на постоянно безопасном уровне, расщепление ядра можно применять и в созидательных целях. Знания и опыт, приобретенные учеными и инженерами из группы И.В. Курчатова во время работы над ядерным проектом оборонной направленности, были сориентированы и на мирные цели. В 1954 г. в СССР, впервые в Европе, была построена атомная электростанция (АЭС), предназначенная для выработки электрической энергии. Начиная с 50–60-х гг. XX столетия по всему миру было построено много АЭС. К примеру, в настоящее время во Франции на долю АЭС приходится почти три четверти всей вырабатываемой электроэнергии.
Еще более радужные перспективы сулит возможность использования в мирных целях управляемого термоядерного синтеза (УТС). Поэтому одной из наиболее важных экспериментальных работ, проводимых в настоящее время, является попытка получения «горячей» плазмы с температурой в сотни миллионов градусов, чтобы осуществить управляемый процесс термоядерного синтеза. Укрощение процессов УТС позволит человечеству создать практически неиссякаемый источник энергии. В качестве исходного топлива вполне пригоден дейтерий, запасы которого практически на миллионы лет хранит мировой океан.