В середине ноября Эсау обратился с жалобой к своему руководителю в министерстве образования профессору Ментцелю. Однако тот отказал ему в поддержке, заявив, что в министерстве вооружений работают над урановой программой уже в течение нескольких лет и Эсау попросту украл идею у военных. Потрясенный Эсау обратился с письмом напрямую к генералу Беккеру. Он напомнил генералу, что «сама проблема возникла не ранее января этого года», поэтому заявление Ментцеля просто нелепо. Эсау настаивал на том, что не важно, какая именно организация встанет во главе программы: достаточно просто обеспечить четкое взаимодействие между ее участниками. К тому же только ему, Эсау, и никому другому, принадлежала инициатива о начале работы над урановой программой. «Коварный захват его детища военными», по словам оскорбленного профессора, создавал серьезную угрозу работе группы ученых-физиков имперского исследовательского комитета (директором которого являлся не кто иной, как Ментцель) и репутации самого Эсау как главы отдела физики. И все же на Беккера эти аргументы не подействовали. Запасы урана были изъяты у Эсау и переданы в распоряжение соответствующих научных институтов, которые наконец приступили к экспериментальным исследованиям.
В начале декабря, встретив в коридоре Лейпцигского института доктора Эриха Багге, профессор Гейзенберг, не в силах скрыть своего волнения, пригласил его к себе в кабинет. До этого момента Гейзенберг занимался проблемой стабилизации цепной реакции медленных нейтронов. Профессору удалось решить ее. Написав мелом на доске несколько уравнений, Гейзенберг объяснил Багге, что по мере увеличения температуры в ходе реакции уменьшается эффективное сечение урана, а это значит, что по достижении определенной температуры автоматически произойдет замедление хода реакции. Возможность управления реакцией зависит от характеристик реактора, то есть от его размеров и того, достигается ли в нем температура в несколько сот или несколько тысяч градусов. В качестве подтверждения своих слов Гейзенберг привел пример: если 1,2 тонны урана смешать с тонной тяжелой воды и поместить в сферическое тело радиусом 60 сантиметров, которое, в свою очередь, погрузить в воду, которая выполняет функции защитного слоя, стабилизация реакции произойдет при температуре 800 градусов по Цельсию.
6 декабря профессор Гейзенберг, отчитываясь перед военными, заявил, что, если принять предложение Гартека и отделить уран от замедлителя, удастся добиться значительного уменьшения размера реактора. Такой реактор будет выделять максимальное расчетное количество энергии до тех пор, пока небольшая часть урана не вступит в реакцию или не будет настолько зашлакована продуктами деления, что произойдет падение температуры [6].
Последняя часть отчета Гейзенберга свидетельствует о том, каких значительных успехов успели достичь немецкие ученые всего за два месяца работы в рамках атомной программы:
«Заключение: открытая Ганом и Штрасманом реакция деления урана дает возможность получения огромного количества энергии. Самым надежным методом получения такой энергии является использование в реакторе обогащенного урана-235. Чем больше будет степень обогащения этого изотопа, тем меньше будут размеры реактора. Обогащение урана-235 является единственным способом уменьшения размеров реактора примерно до объема одного кубического метра.
Только таким способом возможно производство взрывчатого вещества, мощность которого во много раз превосходит все известные в настоящее время аналоги.
В то же время для производства энергии может быть использован и обычный уран, без применения обогащенного урана-235. При этом к урану следует добавлять другие вещества, применение которых ведет к замедлению процесса выделения ураном нейтронов без их поглощения. Обычная вода для этого не подходит. Рекомендуется применение тяжелой воды и графита высшей очистки. Малейшее загрязнение воспрепятствует процессу выделения энергии».
Кроме того, профессор Гейзенберг предупреждал, что реактор сам по себе является источником вредного нейтронного и гамма-излучения.
По своим свойствам упомянутая уже несколько раз тяжелая вода идеально подходит для замедления быстрых нейтронов до такой энергии, которая не позволяет им быть захваченными ураном-238 и в то же время обеспечивает эффективную реакцию деления урана-235. Как видно из самого названия этого вещества, оно примерно на 11 процентов тяжелее обычной воды, поскольку атомы водорода в нем заменены атомами тяжелого водорода, или дейтерия, и его формулой является не Н 2О, а D^. Ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, в отличие водорода, ядро которого состоит всего из одного протона. Тяжелая вода замерзает при температуре 3,81 градуса; температура кипения этого вещества при нормальном давлении составляет 101,42 градуса, а не 100, как у обычной воды. По мере уменьшения давления разница еще более возрастает.
В то время коммерческим производством тяжелой воды занималась всего одна фирма в местечке Веморк, недалеко от города Рьюкан в Южной Норвегии. Тяжелая вода производилась в качестве побочного продукта при электролизе водорода. В 1932 году американский ученый Ури доказал, что выделяемый в процессе электролиза воды водород содержит в 5–6 раз меньше дейтерия, чем вода, которая остается в секциях батареи. И действительно, если на первом этапе процесса гидролиза 100 тысяч галлонов (примерно 450 тысяч литров) разлагаются на водород и кислород, в батарее остается около одного галлона, который примерно на 99 процентов состоит из тяжелой воды. Этот принцип был использован в работе предприятия в Веморке. В гранитном здании электростанции, построенной у водопада Рьюкан– Фосс, были установлены генераторы немецкого производства мощностью 120 тысяч киловатт. Большая часть этой энергии поступала в расположенное рядом здание, где происходил процесс электролиза воды.
Если бы была применена описанная выше упрощенная схема получения тяжелой воды, то значительная часть тяжелого водорода была бы просто потеряна на ее последующих этапах. Однако начиная с 1934 года удалось оптимизировать три последних этапа реакции электролиза, состоящей из девяти этапов: выделенный водород связывался с кислородом, образуя воду, которая вновь использовалась для получения тяжелой воды. Свободный водород, выделенный в ходе первых шести этапов, использовался для получения искусственного аммония, который, в свою очередь, применялся для получения удобрений. В результате девяти этапов реакции получалась вода с содержанием дейтерия около 13 процентов. Далее в результате разработанного норвежским профессором Лейфом Тронстадом и доктором Иомаром Бруном процесса концентрация тяжелой воды доводилась до 99,5 процента. После оккупации Норвегии посланный на предприятие немецкий ученый описал эту технологию как «шедевр мысли норвежских ученых и инженеров».
Предприятие в Веморке начало работать в конце 1934 года и до 1938 года произвело всего 40 килограммов тяжелой воды. До конца 1939 года ежемесячный выпуск составлял всего 10 килограммов. В то же время нигде больше немцы не располагали предприятиями по производству тяжелой воды. Их самое крупное предприятие по электролизу располагало генераторами мощностью всего 8 тысяч киловатт. Теперь приходилось лишь надеяться на то, что норвежцы согласятся сотрудничать с ними и окажут помощь в снабжении этим важным веществом.
В течение ноября и декабря 1939 года в лаборатории профессора Пауля Гартека в Гамбурге приступили к исследованиям в рамках двух новых направлений: профессором Кнауэром и доктором Суэссом была установлена аппаратура наблюдения за концентрацией нейтронов в циркулирующем растворе гексагидрата уранилдинитрата. Путем экспериментов предполагалось определить число нейтронов, выделяемых в процессе деления урана в различных заданных условиях. Одновременно в лаборатории Клузиуса – Диккеля начались опыты с использованием в качестве рабочего газа гексафторида урана. В первых экспериментах для выделения изотопов ксенона, тяжелого газа, изотопы которого были хорошо изучены в институте Гартека, использовалась сепараторная труба Клузиуса – Диккеля. Ученые хотели проверить, похожи ли свойства гексафторида урана на свойства ксенона.
6
Американцы не учитывали возможности засорения шлаками своих больших урановых реакторов до тех пор, пока не пришлось остановить один за другим несколько огромных плутониевых реакторов в Ханфорде. Причиной остановки было образование в ходе реакции деления ксенона-135. Несмотря на относительно низкую концентрацию этого изотопа, он обладает свойством поглощения значительного количества тепловых нейтронов.