Книга: Курчатов - Петр Асташенков

Его отличительной способностью была наблюдательность. Когда Курчатову поручили, еще в юности, первое необычное задание – исследовать радиоактивность снега - он проводит 25 наблюдений со 2 по 29 января 1924 года. В течение 10 минут он собирает в чашку свежевыпавший снег, помещает его в ионизационную камеру. В ней электрически нейтральные частицы воздуха под действием радиоактивного излучения превращаются в заряженные частицы — ионы. Электрометр фиксирует степень ионизации, а по ней уже можно судить о степени радиоактивности снега. В книге результатов исследований Курчатов запишет, что поглощение альфа-лучей водой «упускалось из виду всеми предыдущими исследователями... Поправка имеет очень большую величину». Игорь Васильевич вывел формулу вычисления этой поправки, годную для других аналогичных исследований. До Курчатова порядок радиоактивности снега в среднем был определен в 10^-12 кюри на грамм, а Игорь дал новую цифру — 5,51*10^-11. После этого открытия, Курчатов был отчислен из политехнического института. Мотивировка: «Игорю Курчатову, имеющему университетский диплом, нет необходимости получать еще одну специальность. Мест в институте мало, а кандидатов, мол, много.» Словно пытаясь избавиться от слишком вдумчивого и усердного научного сотрудника, ему поручали самые неожиданные задания. Ему, например, поручили сконструировать прибор для определения мутности воды, и он, как всегда энергично, взялся за выполнение задачи, бегал из мастерской в будку мареографов, где было отведено место для сборки аппаратуры. Закончив эксперименты по определению мутности воды, Курчатов приступил к решению двух серьезных научных задач: «Опыт применения гармонического анализа к исследованию приливов и отливов Черного моря» и «Сейши в Черном и Азовском морях». Эти два исследования были проведены, по-видимому, по инициативе профессора Владимира Юльевича Визе, полярника, одного из участников экспедиции Седова. Составляя ряды тригонометрических функций, Курчатов постепенно сквозь хаос цифр стал прощупывать закономерности. Вот первая составляющая — лунная полусуточная волна. Еще расчеты, еще усилия — и определены солнечная полусуточная и солнечная суточная волны для Феодосии и отчасти для Поти. И вот он уже подошел к вопросу, не нарисовать ли «полную картину приливов для всего Черного моря?» Еще Курчатов исследовал сейши — стоячие волны, возникающие на поверхности под действием внешних сил: атмосферного давления, ветра, сейсмических явлений. Все исследователи до него целиком исходили из теории известного английского ученого, сына творца эволюционного учения Чарльза Дарвина — Джозефа Дарвина, об образовании приливов. Дж. Дарвин разработал в свое время методы предвычисления морских приливов. Изучая сейши Черного моря, Курчатов увидел, что расчетные данные и результаты практических измерений расходятся. По формулам Дарвина амплитуда прилива в Констанце получалась равной 13 сантиметрам, а по данным измерений она составила всего 7 сантиметров. В физико-техническом институте Курчатов выбрал тему исследования: электролиз твердого тела, — которой посвятил две статьи. В те годы наиболее изучены были такие процессы для жидкостей. Электролиз же в твердом теле во многом казался загадкой. Один автор подсчитал, что в наиболее распространенном тогда учебнике физики почти сто страниц отводилось описанию электролиза жидкостей и только несколько строк посвящались электролизу твердого тела. Своим знакомым Курчатов часто говорил: «— Учитесь, учитесь на инженеров, а мы пойдем в физику, искать то, без чего вам, узким техникам, жить нельзя будет.» Впоследствии группу Курчатова упрекали в том, что напрасно они не пошли дальше в своих экспериментах с электронами, проходящими через тонкие металлические фольги, а остановились на пороге открытия волновой природы электрона. Ведь именно на основе изучения отражения электронов американские физики Девиссон и Джермер в 1927 году определили длину волны электрона и доказали, что электроны проявляют себя не только как частицы, но и обладают волновыми свойствами. В Ленинграде, работая под руководством академика Иоффе, Курчатов добился появления новых изоляционных материалов — стирола, эскапона и других. Понятие «сегнетоэлектрики» Курчатов первым ввел в физику. Так он назвал класс диэлектриков, обладающих такими же свойствами, что и сегнетовая соль. В двадцать семь лет он становится заведующим физическим отделом института. Еще в 1929 году Курчатов исследовал механизм выпрямления в некоторых солях, изучал характеристики «вентильных фотоэлементов» — это название (кстати, Курчатов одним из первых ввел его в науку) означало, что открыт новый вид фотоэффекта — на границе соприкосновения двух тел. В 1932 году английский ученый Дж. Чадвик открыл новую частицу — нейтрон, не несущую электрического заряда. Тогда же в физико-техническом институте родилась протонно-нейтронная модель ядра, идею которой выдвинул Дмитрий Дмитриевич Иваненко. По инициативе А. Ф. Иоффе И. В. Курчатов, Д. Д. Иваненко, А. И. Алиханов и Д. В. Скобельцын расширяли фронт ядерных исследований в институте. Курчатов начинает заниматься проблемой расщепления ядра. Но в физико-техническом институте не было самого главного для исследования ядра — не было источника частиц для бомбардировки и расщепления ими ядер. В то время источниками частиц с большой энергией были естественные радиоактивные элементы — продукты распада радия. Радий был в количестве одного грамма в Ленинградском радиевом институте. Заниматься ядерной физикой в то время было нелегко. Некоторые консервативно настроенные лица считали ее наукой, „оторванной от жизни“, „не приносящей пользы производству“. Часто приходилось слышать на собраниях нападки на ученых, „не желающих помогать производству“ и занимающихся „никому не нужной“ ядерной физикой. По воспоминаниям работавших с ним, Курчатов, как, впрочем, и все тогда, не заботился об элементарной защите от излучений — на его пальцах постоянно была розовая молодая кожа — результат радиоактивных ожогов. Открытия совершались довольно буднично. Было известно, что после облучения нейтронами алюминий становится радиоактивным, причем период полураспада составляет около 12 минут. И вот Игорь Васильевич с товарищами обнаруживают совершенно другое излучение — с периодом полураспада 15 часов!.. Тщательно перепроверяют результаты и наталкиваются на третье излучение! — период полураспада 2,3 минуты... Значит при облучении обычного алюминия образуются ядра трех сортов! Так был сделан новый, принципиальной важности шаг в глубины атомного ядра. Оказалось, что свойства ядра зависят не только от количества частиц, но и от структуры. Ядра с одинаковым числом протонов и нейтронов, но разной структурой Курчатов назвал изомерами, а явление — ядерной изомерией. Уже в 30-е годы начались поиски самых эффективных средств бомбардировки ядер. Первые такие орудия в СССР создавал Игорь Васильевич. Он был и автором идеи циклотрона. Когда частицы проходили в щели между дуантами, высокочастотное поле их «подталкивало». И так цикл за циклом частицы набирали скорость. Отсюда и название — циклотрон. В качестве защиты от радиации использовались сырые дрова, которыми обкладывали циклотрон. «Так с тех пор и управляли циклотроном из-за поленницы. Впрочем, не только наши ученые, но и американские в то время применяли «поленную» защиту.» Пуск циклотрона намечался на 1 января 1942 года. 22 июня 1941 года, в день начала войны, «Правда» сообщила из Ленинграда в информации под заголовком «Советский циклотрон»: «В Лесном, на территории физико-технического института Академии наук СССР недавно построено двухэтажное здание, похожее на планетарий. Продолговатый корпус увенчан куполом...» Работы были продолжены после войны. Для проведения опытов облучения урана нейтронами нужен был уран. Это не был новый элемент, его открыли еще в 1789 году, но до 30-х годов XXвека он почти не применялся. Его использовали лишь как добавку к отдельным сортам стали и примесь в желтых эмалях и стеклах. Было и еще одно применение урана — в фотографии в виде азотнокислой соли — кристаллов желтого цвета. Курчатов «мобилизовал» всех работников лаборатории и скупил в Ленинграде весь запас этого соединения урана. Для экспериментов в Москве была отведена станция «Динамо». Туда, на глубину в 50 метров, в кабинет начальника, на эскалаторах и на плечах научных сотрудников была доставлена аппаратура, весившая 3 тонны. И вот под землей, где интенсивность космического излучения была ниже, чем на поверхности, в 40 раз, были получены результаты, аналогичные тому, что наблюдались в Ленинграде, так сказать, на уровне моря. Тогда-то Курчатов и сделал окончательный вывод: открыто спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана! Это мировое достижение нашей науки в самой тонкой, сложной и новой ее области. И сейчас, где бы ни излагалась история атомной энергии, непременно как ее крупный этап указывается: 1939 год — Г. Н. Флеров, К. А. Петржак — самопроизвольное деление урана. Курчатов теоретически обосновал картину цепного процесса на уране-235. Нейтрон, сталкиваясь с ядром урана, вызывает деление, при этом вылетает три новых нейтрона. Пусть один из них будет поглощен примесями или вылетит за пределы данного объема урана и лишь два других вызовут акты деления. Все равно появятся пять нейтронов, из которых уже три вызовут деление, и т. д. Так развивается цепь. Уже в 1939 году в Ленинграде обсуждали все то, что Э. Ферми делал в 1942 году в США. Если бы не война, то атомная бомба была готова к началу 1942 года. Когда началась война, ядерные лаборатории физико-технического и радиевого институтов, как лаборатории в основном молодежные, обезлюдели раньше других. К. А. Петржак вспоминает, что, вернувшись с прогулки 22 июня 1941 года, нашел дома уже четыре повестки, вызывавшие его в военкомат. Вскоре он уже был в действующей части, начальником разведки. Г. Н. Флерова направили на курсы техников по спецоборудованию самолетов, окончив которые он также отбыл в действующую армию. И. С. Панасюк был зачислен в подразделение, подчиненное главному рентгенологу Красной Армии. Готовился ехать на фронт и рядовой запаса первой очереди электротехнических войск И. В. Курчатов. На фронте, в Севастополе Курчатов разрабатывал электрообмотку кораблей для защиты от магнитных мин. Когда немцы особенно рьяно пытались перекрыть выход из Севастопольской бухты, Игорь Васильевич предложил создать первый баржевый электромагнитный трал. Трал представлял собой груженную дровами баржу со специально рассчитанной обмоткой, питавшейся от буксирующего корабля. Этот трал честно нес нелегкую службу на севастопольских фарватерах, подрывая вражеские мины. Первыми иностранцами, прибывшими посмотреть на открытия Курчатова, оказались конечно же англичане. А еще под руководством Курчатова была завершена работа по наиболее рациональному размещению топливных баков на самолете и создание конструктивной брони. Ученые решили пойти по новому пути — изменить конструкцию броневой защиты. Была испытана броня с фигурной формой поверхности. При «обстреле» конструктивной брони пулями она показала преимущества по сравнению со сплошной броней. Она весила на одну треть меньше, а имела такую же пулестойкость, как и обычная. В середине войны А.Ф. Иоффе получил официальное задание подготовить исходные данные для начала ядерных исследований в небывалых масштабах. Он отзывает Курчатова с фронта. В том, чтобы признать необходимым начать в 1943 году ядерные исследования, решающая роль принадлежит И. В. Курчатову. Его и А. И. Алиханова познакомили с материалами из-за рубежа, в которых говорилось о сосредоточении в США научных сил всей Европы по ядру, о странном и внезапно наступившем молчании прессы, до того широко обсуждавшей реакции деления урана. В разгар работ вдруг вмешивается наркомат флота и требует отправить Курчатова в Мурманск! Это было время, когда союзники работали над новым секретным оружием. «Отбыв» в Мурманске положенный срок, Курчатов начинает собирать по фронту всех своих бывших научных сотрудников. Постепенно Игорь Васильевич сделался не только по официальному положению, но и по существу подлинным научным руководителем советской школы ядерщиков. Мозгом огромного атомного дела в стране выступал научно-технический совет, в состав которого входили самые выдающиеся научные авторитеты, лучшие организаторы науки и производства, конструкторы, инженеры. Председателем совета был Б. Л. Ванников. И. В. Курчатов был заместителем председателя. Как и Королев в свое время сам подбирал здание для своего института, Курчатов лично ищет в Москве место для строительства нового циклотрона. Весной 1943 года началась отправка оборудования из осажденного Ленинграда. Это была трудная и очень важная операция. Электромагнит, весивший 75 тонн, отправить не удалось. Поехали в Москву лишь медные листы, латунь, высокочастотный генератор и изоляторы. Все это заняло два вагона. Электромагнит же пригодился в Ленинграде, там после войны был-таки пущен циклотрон физтеха. После напряженной работы не заставил себя ждать результат: первый в Европе пучок дейтонов выведен! До этого и у нас, и в других европейских странах мишень помещали в зазоре между дуантами, внутри разгонной камеры. Теперь пучок дейтонов выведен наружу, чтобы всей его мощью бомбардировать мишени, покорять энергию ядра... Курчатов поставил предельно ясную задачу: циклотрон включить на круглосуточную работу. Дежурить у него посменно. Его, И. В. Курчатова, включить в график дежурств рядовым оператором. Цель — облучением азотнокислой соли урана получить возможно большее количество трансурановых элементов в ядерных реакциях. Облучение велось так: пучок дейтонов ударял в либиевую мишень, та, в свою очередь, испускала нейтроны, которые замедлялись в парафине и вступали во взаимодействие с ядрами урана, образуя новые элементы. Ни в одном справочнике до войны вы их не нашли бы. Это новые элементы. Они получаются в результате захвата нейтрона ядром урана-238. Подтвердились самые оптимистичные предположения: реакция давала элемент, имеющий массовое число 239, — радиоактивный, испускающий при распаде альфа-частицы. В дальнейшем ученые узнают его имя — плутоний, определят период его полураспада (24 360 лет), более чем достаточный для производства и накопления запасов. Но самое главное узнают, что ядра плутония делятся под действием нейтронов любых энергий так же, как и ядра урана-235. Значит, если осуществить цепную реакцию в природном уране с замедлителем, то уран-238, не принимающий участия в этой реакции, будет поглощать часть нейтронов и из него получится делящееся вещество — плутоний. Накопив и выделив это вещество, можно будет осуществлять с помощью него любые реакции — и управляемые и взрывного типа. Вот каким исследованиям и положил начало московский первенец — циклотрон!

Вывод о возможности цепной реакции в уран-графитовой системе был новым фундаментальным вкладом И. В. Курчатова в советскую атомную науку.

Справка: физиков Германии постигла неудача именно на первом этапе, при выборе главного направления. Произведенные ими измерения характера поглощения нейтронов графитом привели к ошибочному выводу, что углерод вообще нельзя использовать в качестве замедлителя в реакторе на естественном уране. Поэтому они с самого начала отказались от попыток построить уран-графитовый реактор. Курчатов добился перевода заводов на выпуск чистого графита. Требования были жесткие: достаточно сказать, что примесь бора не должна была превышать миллионных долей, а редких земель — должно было быть еще меньше. Директора жаловались: ««Ваши требования многие встречают в штыки. А мы им ничем возразить не можем, сами не понимаем, для чего вам такая дьявольская чистота графита?» Некоторые из инженеров думали, что Курчатов строит машину по производству алмазов. Для проверки уровня радиации во время пуска реактора лаборатории Курчатова пришлось конструировать самим первый в стране дозиметр. Он потом был выпущен промышленностью под маркой ДИГД (дозиметр интегрирующий). В 6 часов вечера 25 декабря 1946 года впервые на континенте Европы пошел атомный реактор. Вот имена тех, кто был в тот момент рядом с Игорем Васильевичем: И. С. Панасюк, Кузьмич — А. К. Кондратьев, Б. Г. Дубовский, Е. Н. Бабулевич... Реактор имел надкритичность, то есть превышение над критическим режимом, всего 0,0007. Работа его была совершенно безопасной. Мощность возрастала сравнительно медленно. На ее удвоение, например, требовалось несколько минут. Аппаратуру управления реактором разрабатывали и изготовляли прямо здесь же, в мастерских института, и она действовала тоже безотказно. Потом Курчатов занимался выделением плутония. Выделение плутония в промышленных масштабах — задача очень трудная. Была разработана технология этого процесса: облученные стержни предстояло растворять в азотной кислоте, потом из раствора сначала извлекать уран, а за ним плутоний. Из работы И.В. Курчатова: «Дейтерия в природе вполне достаточно — на каждые 6 тысяч ядер обычного водорода приходится одно ядро дейтерия. Литр обычной воды по энергии равноценен приблизительно 400 литрам нефти... В ближайшие 15 лет ежегодная добыча угля и нефти в нашей стране достигнет в сумме около миллиарда тонн. Только 400 тонн дейтерия потребовалось бы для замены всего этого угля и нефти.» Курчатов пришел к выводу, что тритий, который еще труднее получать, чем дейтерий, можно производить при помощи нейтронного облучения лития, но это дорогой процесс. Чтобы реакция развивалась, нужны все новые быстрые дейтоны. Их образование обеспечивается высокой температурой, которая должна развиваться в этом процессе. От слова «тепло» («термо») и произошло название реакций — термоядерные. Они происходят при взрыве водородной бомбы в течение менее чем миллионной доли секунды. Вот так, под руководством Курчатова и была разработана водородная бомба. Этот заряд был создан, и не в Соединенных Штатах Америки, а в Советском Союзе, и испытан 12 августа 1953 года. А еще Игорь Васильевич сыграл первостепенную роль в постройке первенца советской ядерной энергетики — атомной электростанции. Ее пробный вариант был с успехом запущен в Обнинске. 27 июня 1954 года атомная станция дала первый ток. О грустном После всех вышеуказанных успешных достижений, Игорь Васильевич был направлен в Великобританию, как бы с дружеским визитом. И там «он рассказал о термоядерных реакциях. И о каких? Управляемых! Тех, одно упоминание о которых держалось в США и Англии за семью печатями секретности. Для того же, чтобы нагреть дейтерий, который будет в состоянии плазмы, не требуется много энергии. Главная трудность состоит в том, чтобы сохранить тепло в нагретой плазме, — без этого нагревание выше нескольких десятков тысяч градусов попросту невозможно. Игорь Васильевич рассказал английским слушателям об оригинальнейшей идее, выдвинутой в 1950 году советскими академиками А. Д. Сахаровым и И, Е. Таммом, — использовать для теплоизоляции плазмы магнитное поле. Ученые показали, что магнитное поле может играть роль незримой стены, ограничивающей плазму и создающей тепловую изоляцию.» Взамен, «бравые» англичане упомянули имя Курчатова в местных газетах и поблагодарили за сенсацию… В который раз СССР превзошел самые смелые ожидания своих бывших (противников) союзников по Второй мировой войне. «И далее агентство сделало характерное признание: «Английские ученые ожидали, что доктор Курчатов будет выкачивать из них информацию, а вместо этого он сказал им, что им следует делать»… Макет первой советской атомной бомбы «РДС-1».