Ключи к решению проблемы

Ключи к решению проблемы

После открытия нейтрона интенсивность научно-исследовательских работ в нашей стране значительно возросла. «В 1932 году в Радиевом институте по инициативе проф. Л.В. Мысовского приступили к проектированию и постройке мощного синхронного ускорителя в магнитном поле», – писал В.Г. Хлопин, подводя итоги деятельности Радиевого института. Он указывал на то, что сооружение синхронного ускорителя незадолго до этого осуществлено, правда, в значительно меньших размерах, в Америке – Лоуренсом и Ливингстоном. Создание отечественного ускорителя проводилось исключительно силами коллектива Радиевого института и заводов «Большевик» и «Электросила». Работавшая на этой установке бригада в составе профессоров А.И. Алиханова, И.В. Курчатова, Л.В. Мысовского и инженеров В.Н. Рукавишникова, Д.Г. Алхазова, К.А. Бризамейстера и П.И. Мастицкого «в настоящее время вполне освоила эту установку». Что же это за установка? В.Г. Хлопин так писал о ней: «Большой циклотрон Радиевого института в настоящее время является единственной действующей установкой этого рода не только в Союзе, но и в Европе, где, сколько нам известно, строятся уже в течение нескольких лет три такие установки, до сих пор не поступившие ещё в эксплуатацию»[8].

На сессии Академии наук СССР в 1936 году с большим докладом, посвящённым исследованию атомного ядра и освещению роли советских физиков в разработке этой проблемы, выступил блестящий физик-теоретик Игорь Евгеньевич Тамм. Он отметил, что практически наиболее важная задача – использование внутриядерной энергии – ещё весьма далека от своего разрешения, но более скромных применений ядерных явлений, например использование искусственной радиоактивности в медицинских целях, можно ждать в ближайшее время.

Вместе с тем теория атомного ядра за последние годы продвинулась далеко вперёд; после того как была открыта новая элементарная частица – нейтрон, была создана и новая теория, согласно которой только протоны и нейтроны, но не электроны, составляют ядро атома.

В заключении своего доклада И.Е. Тамм поставил ряд наиболее важных задач как в области теории, так и экспериментальных исследований. Он наметил также первоочередные практические мероприятия, необходимые для успешного развития работ по атомному ядру. Особое значение он придавал точному разграничению деятельности отдельных лабораторий – сосредоточению усилия учёных на углублённой разработке определённого круга проблем.

Об организации физических исследований в стране говорил на сессии академик А.Ф. Иоффе: «По мере роста Ленинградского физико-технического института из него выделялись самостоятельные институты, которые частью продолжали работать в Ленинграде (электрофизический институт, институт химической физики и др.), частью были перенесены на периферию (Сибирский, Уральский, Украинский, Днепропетровский институты). Для пополнения кадров при ряде втузов были созданы физические факультеты».

Доклады И.Е. Тамма и А.Ф. Иоффе свидетельствовали о значительном оживлении физических исследований, проводившихся в стране. Это отметили также прибывшие в Советский Союз в сентябре 1936 года знаменитые французские учёные Фредерик Жолио-Кюри и его жена Ирен Жолио-Кюри. В беседе с представителями печати они поделились впечатлениями о своём пребывании в Москве, подчеркнув те разительные перемены, которые произошли за три года после первого приезда Ф. Жолио-Кюри в Советский Союз. «Мы имели возможность ознакомиться, – сообщили супруги, – с постановкой работы великолепных научных и учебных лабораторий в физических институтах Москвы, где ведётся интенсивная исследовательская деятельность и приобщается к науке громадное количество студентов. На заседании физической группы Академии наук, к участию в котором мы были приглашены, присутствовали советские научные работники, приехавшие на заседание из разных городов Союза. Мы находим, что принятая в вашей стране практика таких научных сессий с приглашением представителей научных учреждений разных городов за счёт бюджета самих институтов чрезвычайно способствует развитию научной жизни во всей стране; мы считаем, что подобная практика могла бы принести большую пользу и у нас во Франции, где ограниченность кредитов на научно-исследовательскую работу до сих пор весьма затрудняла общение работников центральных научных учреждений с провинциальными, которые по сравнению с Парижем живут значительно менее интенсивной жизнью»[9].

Заседание физической группы было посвящено вопросам строения атомного ядра. Именно здесь супруги Жолио-Кюри сообщили о результатах своих работ по исследованию явлений естественной и искусственной радиоактивности элементов, проведённых в Институте имени Кюри в Париже.

В сентябре 1937 года произошло ещё одно незабываемое событие в области ядерной физики. С 20 по 27 сентября в Москве была созвана II Всесоюзная конференция по атомному ядру. В ней приняли участие все советские физики, работавшие в этой области, и ряд крупных зарубежных учёных, в том числе В. Паули из Цюриха, П. Оже из Парижа, Э. Дж. Вильям и Р. Пайерлс из Лондона. На конференции было представлено 28 докладов, из которых 22 сделали советские учёные. В конце конференции были заслушаны доклады, посвящённые проблеме сил, действующих внутри ядра. И.Е. Тамм сказал, в частности, что «наши знания о природе ядерных сил находятся в самом зачаточном состоянии. Имеющиеся данные относятся лишь к вопросу о величине этих сил и их зависимости от расстояния. Что же касается их физической природы, то эта проблема остаётся до сих пор открытой. Мы можем только сказать, что эти силы принципиально отличны от тех сил, с которыми мы до сих пор сталкивались в природе»[10]. Когда спустя восемь лет я читал эти строки, то невольно задумался. Проблема ядерных сил до сих пор не раскрыта. А ведь мы хотим использовать эти силы. Чего же мы добиваемся? Осуществить неосуществимое? Я задал этот вопрос известному физику В.И. Векслеру, с которым был тесно связан по работе. На мой вопрос он ответил так:

– А вы никогда не спрашивали тех, кто работает на электростанциях, строит электропередающие устройства, монтирует все электрооборудование, управляет им и осуществляет передачу электроэнергии потребителям, что такое электричество? Смогут ли они ответить на этот вопрос?

И он рассказал мне старую шутку. Когда к известному английскому учёному Дж. Максвеллу пришёл на экзамен студент, тот спросил его, что такое электричество.

«Вот ещё когда я шёл к вам, знал, что это такое, а теперь забыл», – ответил студент. «Как жаль, молодой человек, что забыли! Единственный человек, кто знал, что это такое, и тот забыл. Какая же это потеря для человечества», – улыбаясь, произнёс Максвелл.

– Ну, а мы с вами не студенты, хотя экзамен держать придётся. Но не по теории, а по практике.

В мае 1939 года Президиум АН СССР заслушал доклад академика В.Г. Хлопина «О работах с циклотроном». В решении Президиума было записано, что «пущенный в эксплуатацию единственный в СССР и первый в Европе циклотрон Радиевого института в настоящее время используется как мощный источник нейтронов для получения искусственных радиоактивных элементов, применяемых в химии, медицине и биологии». Институту было предложено «всемерно развивать эти работы в дальнейшем, доведя мощность существующего циклотрона до максимально возможных пределов»[11]. В.Г. Хлопин отметил, в частности, как один из крупных успехов воспитание новых, молодых учёных. Он особо подчеркнул, что когда институт начинал свою деятельность, то изучения радиоактивности как науки у нас в Союзе не было; не было и специалистов в этой области. Все основные работники Радиевого института, за исключением его руководителей, – это молодёжь, прибывшая прямо со студенческой скамьи и получившая свою научную квалификацию в институте.

Примерно в то же время, в конце 1937 года, Президиум АН СССР заслушал доклад академика С. И, Вавилова о состоянии работ в ещё одном из центров научно-исследовательских работ по физике – Физическом институте. Президиум в своём постановлении отметил, что коллектив института проделал значительную работу, получил некоторые выдающиеся результаты теоретического и практического значения. Президиум особо отметил работы И.Е. Тамма «О теории внутриядерных сил», В.А. Фока «О новом методе расчёта водородо-подобных атомов» и П.А. Черенкова об открытии нового эффекта свечения жидкостей и твёрдых тел под действием гамма-лучей (в науку это открытие вошло под названием «Эффекта Черенкова», автору была присуждена Нобелевская премия), а также ряд других работ. 25 ноября 1938 года Президиум АН СССР заслушал доклад С.И. Вавилова об организации в академии работ по исследованию атомного ядра. Президиум отметил важность правильной организации работ этой «центральной проблемы современной физической науки», а также указал на имеющиеся недостатки в этом деле, выражающиеся «в раздроблённости ядерных лабораторий по различным ведомствам, в нерациональном распределении мощных современных технических средств исследования атомного ядра по институтам, в неправильном распределении руководящих научных работников этой области и т. п.»[12]. Для решения вопросов, связанных с планированием и проведением ядерных исследований, устранением параллелизма в работе институтов, Президиум создал при Отделении физико-математических наук АН СССР постоянную комиссию по атомному ядру в составе академиков С.И. Вавилова (председатель), A. Ф. Иоффе, профессоров И.М. Франка, А.И. Алиханова, И.В. Курчатова, В.И. Векслера и других. На комиссию было возложено решение всех вопросов, связанных с планированием и организацией ядерных исследований.

В апреле 1940 года было созвано II Всесоюзное совещание по изотопам. Оно проводилось по предложению комиссии по изотопам с целью обмена опытом исследований. Большой обзорный доклад о состоянии работ с изотопами в нашей стране и за рубежом сделал А.П. Виноградов. Украинский академик А.И. Бродский особо остановился на вопросе, который в то время волновал учёных, занятых исследованием ядерных процессов, – о разделении изотопов урана, получении урана-235, который можно использовать в технических целях.

B. А. Александрович сообщил о технологической схеме получения тяжёлой воды, основанной на электролизе воды. По этой схеме намечалось построить установку, производящую 15 килограммов тяжёлой воды в год. В.Г. Хлопин представил доклад о применении радиоактивных изотопов в химии. Он рассказал о состоянии применения радиоактивных изотопов для решения многочисленных теоретических и практических задач в области химии, физико-химии, биохимии и во многих других областях науки. Совещание констатировало значительное усиление в стране работ по изотопам, но отметило вместе с тем отсутствие достаточно мощных аппаратов для концентрации изотопов и обратилось к Президиуму АН СССР с просьбой оказать поддержку в создании в Советском Союзе подобных мощных установок.

В ноябре того же, 1940 года состоялось Всесоюзное совещание по вопросам физики атомного ядра. Совершенно особое место в его работе занимала проблема урана. Возможным путям осуществления цепной реакции был посвящён обзорный доклад И.В. Курчатова.

Совместно со своими сотрудниками Он провёл многочисленные исследования по делению атомных ядер тяжёлых элементов. С блестящей работой на совещании выступили молодые советские физики Г.Н. Флёров и К.А. Петржак, установившие новое явление – самопроизвольное деление ядер урана. Работа «Спонтанное деление урана», выполненная совместно Радиевым и Физико-техническим институтами, докладывалась ещё в мае 1940 года на Отделении физико-математических наук. Сообщение о ней было сделано И.В. Курчатовым. Отделение отметило большое принципиальное значение работы, показавшей, что уран сам по себе непрерывно делится на две половины близкой массы, обладающие такой же энергией, как и осколки, которые возникают в уране под действием нейтронов.

Таким образом, во всех наиболее важных областях ядерной физики, таких, как космическое излучение, выяснение природы ядерных сил, процесса деления тяжёлых ядер и возможностей осуществления цепной ядерной реакции, а также в области применения достижений физики в биологии и медицине советскими учёными были получены к 1940 году весьма значительные результаты. Американский автор Д. Либерман пишет: «К концу 1940 года, второго года эры деления атомного ядра, развитие работ по атомной энергии в Советском Союзе было эквивалентно американским работам в этой области»[13].

В начале 1940 года академики В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман, В.Г. Хлопин внесли в Президиум АН СССР предложение по вопросу использования внутриатомной энергии урана. Его докладывал В.И. Вернадский. Он говорил, что «открытое в самое последнее время самопроизвольное деление ядер атомов урана ставит вопрос о практическом использовании внутриатомной энергии. Хотя это и сопряжено с рядом больших трудностей, однако принципиально возможно»[14]. 4 июня Президиум АН СССР поручил комиссии учёных в составе академиков А.Е. Ферсмана, В.И. Вернадского и чл. – корр. АН СССР С.И. Вольфковича представить план мероприятий по дальнейшему развитию работ в академии по использованию внутриатомной энергии урана, а также по разработкам методов разделения изотопов урана и управлению процессом радиоактивного распада. Этой же комиссии было поручено разработать проект записки в Правительство СССР по вопросу «научного и прикладного значения использования внутриатомной энергии урана и мероприятий, связанных с созданием государственного фонда урана, изучением и разведкой урановых месторождений»[15].

16 июля, то есть менее чем через две недели, Президиум АН СССР вновь заслушал В. И, Вернадского, уже о мероприятиях по дальнейшему изучению и возможному использованию внутриатомной энергии урана. По этому докладу Президиум постановил создать Комиссию по проблеме урана. Основные её задачи состояли в организации разработки методов разделения урана при его обогащении и исследований по управлению процессами радиоактивного распада, осуществлении координации и общего руководства научно-исследовательскими работами академии по проблеме урана. На этом же заседании Президиума была утверждена и Комиссия по проблеме урана в составе десяти академиков, одного профессора и трёх старших научных сотрудников. Комиссии было поручено разработать план научно-исследовательских работ Академии наук по проблеме урана на 1941 год, а также определить размеры ассигнований и количество материалов и металлов (урана, драгоценных и цветных металлов), необходимых для этих работ. «Ввиду необходимости использования для работ по проблеме урана мощных циклотронов», Радиевому институту было предложено закончить дооборудование действующего циклотрона, а Физико-техническому институту – окончить не позднее первого квартала 1941 года строительство циклотрона.

Урановая комиссия незамедлительно приступила к работе. На одном из первых её заседаний, проходивших с участием представителей промышленности и ведущих геологов, В.Г. Хлопин посвятил собравшихся в существо проблемы, которую необходимо было тогда решать. Он сказал, в частности, что открытие явления выделения свободных нейтронов при распаде урана «сделало вероятным» осуществление гак называемой цепной реакции, то есть возможности при наличии достаточного количества урана создать условия, при которых дальше такой процесс, вызванный в какой-нибудь одной точке, мог бы самопроизвольно распространяться. Количество энергии, выделяемое при одном акте распада, чрезвычайно велико. В.Г. Хлопин, останавливаясь на перспективах использования ядерной энергии урана в случае осуществления управляемого процесса такого деления, предупреждал, что «на пути стоит очень много трудностей», а сам «механизм этой реакции недостаточно выяснен». Он констатировал, что такая реакция осуществлялась с изотопом урана-235, в то время как природный уран содержит в основном изотоп-238, а остальные изотопы составляют доли процента: в частности изотопа-235 – 0,7%, а урана-234 – 0,017%. Следует попытаться осуществить такую же реакцию и с изотопом-238, что «не является совершенно невозможным теоретически, возможно, что этот вопрос может быть решён, и в этом направлении работа ведётся. С другой стороны, если этого сделать нельзя, то подсчёты показывают, что путём обогащения природного урана изотопом-235, даже не выделенного в чистом виде, а в смеси с изотопом-238, может быть воспроизведена такая цепная реакция. Это два направления, по которым физики должны работать»[16].

Поставив эти научные задачи, В.Г. Хлопин перешёл и к производственным.

– Возможно ещё энергетическое использование урана, которое, однако, требует значительных его масс, – сказал на том заседании Хлопин. – Такая цепная реакция, чтобы она протекала, требует во всяком случае количеств, исчисляемых десятками килограммов этой смеси.

На этом же заседании В.Г. Хлопиным был поставлен вопрос о поисках новых месторождений урана.

– Дело, – говорил он, – прежде всего начинается с сырья, а ураном мы пока что не очень богаты, и его следует отнести к числу дефицитных материалов. Следовательно, если ему вообще суждено играть роль как энергетическому фактору, то прежде всего надо выяснить, какими запасами мы можем располагать, то есть можем ли дать нужное количество. Затем, познакомившись с тем, в каком положении находится наша сырьевая база на сегодняшний день, – выяснить, правильно ли проводятся геологические поиски урановых месторождений.

В ходе обсуждения поставленных В.Г. Хлопиным вопросов было установлено, что помимо старых месторождений урановых руд, которые начали разрабатываться ещё в 1908 году, были открыты новые, но с низким содержанием в них урана.

Один из присутствовавших на совещании геологов, информируя о фактическом положении дел с урановым сырьём, сказал, что продукция даже старого месторождения выдавалась в виде полуфабриката. Геологи не знали, какие руды считать урановыми, какие запасы считать месторождением и т. п. А.Е. Ферсман выделил в связи с этим три вопроса: развитие геологоразведочных работ, составление единого научно-исследовательского плана и составление программы работ.

Таким образом, в конце 1940 года ключи к решению урановой проблемы уже находились в руках советских учёных. Однако для практического использования ядерной энергии требовалось разрешить огромное количество сложнейших научных и инженерно-технических задач. Нужно было создать новые научные центры, организовать совершенно новые отрасли производства, подготовить многочисленные кадры специалистов по самым различным областям науки и техники.