Бор и Уилер настаивали на том, что расщепление ядра урана возможно благодаря существованию изотопа U235. Для разделения его ядра достаточно бомбардировки медленными нейтронами. Чтобы сделать то же с гораздо более распространенным изотопом U238, нужно использовать нейтроны, обладающие намного большей скоростью и энергией. Однако если придать нейтронам строго определенную энергию, называемую резонансной, то ядро урана-238 не распадется, а примет еще один нейтрон, в результате чего образуется нестабильный изотоп U239. В этом случае частицы, обладающие большой энергией, не смогут вызывать цепной реакции, поскольку в качестве ловушки для них выступит ядро U239. Нейтронов, которые могли бы вызвать расщепление урана-235, просто не останется.
Опираясь на эти выводы, можно было вывести принцип создания самоподдерживающейся цепной реакции в ядерном реакторе на природном уране. Свободные нейтроны, испускаемые при расщеплении ядра урана-235, должны, очевидно, иметь разную энергию и разную скорость. Если, исходя из их среднего арифметического числа, один или более свободных нейтронов смогут долететь до ядра еще одного атома U235, то существует вероятность того, что они вызовут его разделение и цепная реакция будет продолжена. С другой стороны, практически все нейтроны могут быть удержаны атомами урана-238, которых статистически гораздо больше, и тогда среднее число оставшихся свободных нейтронов будет менее единицы. В этом случае поддержание цепной реакции станет невозможным и она затухнет.
Решение этой проблемы было абсолютно очевидным. Чтобы максимально увеличить вероятность столкновения свободного нейтрона с ядром урана-235, а значит, и общее количество расщепляемых ядер, в конструкцию реактора необходимо добавить замедлитель. В качестве такового можно использовать материал, атомы которого обладают весом, достаточно малым для того, чтобы замедлить нейтроны, не поглощая их. Если резонансная энергия свободных нейтронов будет меньше той, что необходима для вступления в реакцию с U238, то они и не будут поглощены его ядром. Отличным замедлителем могли стать так называемая тяжелая вода (в отличие от обычной воды, составной частью ее молекул был не водород, а его более тяжелый изотоп дейтерий[19]) или же чистый углерод в таком легкодоступном виде, как графит. У Гартека уже имелись определенные наработки по созданию реактора, в котором планировалось чередовать слои урана и тяжелой воды.
Даже на том раннем этапе, на котором пока находились исследования, было совершенно ясно, что создаваемые реактор или бомба не смогут иметь компактные размеры до тех пор, пока ученым не удастся отделить уран-235 от урана-238. В крайнем случае предстояло весьма значительно обогатить используемый уран атомами с массовым числом 235. Способов сделать это было немного, так что перспектива получения большого количества U235 виделась весьма туманной. Еще несколькими месяцами ранее то же самое заявил и Бор своим коллегам в Принстоне. Наилучший результат пока мог дать только метод термодиффузии[20], в основу которого легло открытие немецких химиков Клауса Клузиуса и Герхарда Дикеля, сделанное ими в 1938 году. Данный процесс был возможен в силу совсем незначительных различий в рассеивающей способности изотопов, переведенных в газообразное состояние. Различия выявлялись при температурных перепадах. Однако для перевода урана в газообразное состояние необходимо было работать с его гексафторидом, а эта субстанция обладает весьма неприятными свойствами: она вызывает коррозию практически любого материала, с которым соприкасается.
Таким образом, на данном этапе перед физиками из «Уранового общества» стояли две проблемы. Во-первых, необходимо было оценить пригодность различных материалов в качестве замедлителя, производя для этого хотя бы базовые расчеты и измерения. После предстояло продумать оптимальную конструкцию ядерного реактора. Во-вторых, требовалось найти способ получить большое количество урана-235.
Багге было поручено выяснить, является ли тяжелая вода оптимальным замедлителем. Гартек должен был продолжить подготовительные работы по разделению изотопов урана посредством термодиффузии, а также сравнить эффективность выделения свободных нейтронов в реакторах различной конфигурации. Задачей Гейзенберга стало изучение возможности осуществить самоподдерживающуюся цепную реакцию ядер урана с учетом известных физических свойств материалов, которые могут использоваться в реакторе.
19
Ядро водорода состоит из одного протона. Ядро дейтерия обладает большей массой и включает в себя один протон и один нейтрон.
20
В основе термодиффузии лежит тот факт, что легкий газ движется в сторону источника тепла. Основу аппарата Клузиуса-Дикеля составляли две вертикальные металлические трубки, вставленные одна в другую. В пространство между ними вводили газообразную смесь двух изотопов. Внутреннюю трубку нагревали, а наружную охлаждали. Более легкий уран-235 устремлялся к нагретой стенке, а уран-238 смещался к холодной. Конвекционные потоки, порожденные этим движением, направляли U235 вверх, a U238 — вниз. Через определенные промежутки времени скопившийся вверху уран-235 собирали, и в устройство закачивали новый газ. —