Предложения Н.Н. Семенова о планах и организации работ в Институте химической физики АН СССР по проблемам использования атомной энергии
2 апреля 1946 г.
Сов. секретно (Особая папка)
В ответ на сделанное мне предложение заняться работами, связанными с атомной энергией, я дал согласие и написал товарищу Берия Л.П. письмо с моими предложениями, которое было согласовано с т.т. Ванниковым и Курчатовым.
Мое согласие заняться этими работами было следствием трех причин:
1. Желания выполнить перед Родиной свой гражданский долг.
2. Институт химической физики много лет занимается под моим руководством цепными реакциями и взрывами в обычной химии.
Он будет более полноценным, если в его постоянную тематику войдут также цепные реакции и взрывы ядерной химии.
3. Мне совместно с проф. Харитоном в 1926-28 годах посчастливилось впервые открыть в природе разветвленные цепные реакции и явления критической массы на примерах реакций окисления фосфора и серы. В дальнейшем я с моими сотрудниками развил цепную теорию и выискал роль цепных реакций в химии.
Я всегда считал, что принцип разветвленных цепных реакций должен иметь очень общее и важное значение в разнообразных науках.
Субъективно я рассматриваю открытие ядерных цепных реакций как развитие этих моих представлений.4 Поэтому мне лично будет интересно заниматься этой областью.
Таковы 3 причины моего желания заняться проблемой ядерных цепных реакций и атомных взрывов.
Теперь надо взглянуть на дело не с моей личной, но с государственной точки зрения.
Можно ли быть уверенным, что я лично и наш институт справятся с поставленной задачей?
Нужно прямо сказать, что, объективно говоря, здесь есть известный риск, что есть опасность, что мы не справимся с этой задачей и тем нанесем некоторый ущерб Государству.
Для такой оценки есть две причины:
1. Я лично, как и все мои сотрудники, кроме Харитона и Зельдовича, являемся совершенными профанами в области физики ядра. Мы не имеем ни малейшего представления о методах ядерной физики и являемся дилетантами в области теории ядерных процессов.
2. Институт не закончен строительством. Лабораторной площади не хватает даже для существующей тематики, жильем не обеспечено 50 % существующего научного состава (ведь все мы ленинградцы).
Ваше дело — еще раз подумав, решить, идти или нет на риск поручения мне дела исследования цепных ядерных реакций и атомных взрывов при этих неблагоприятных обстоятельствах.
Что касается меня, то я готов идти на этот риск.
В чем же я вижу шансы на успех?
Причин этому две:
1. Наш институт представляет очень дружный, спаянный творческий коллектив. Он состоит сплошь из моих учеников, среди которых есть много опытных ученых с крупными именами и которые по своим проверенным способностям, как можно предполагать, быстро освоятся с новой тематикой (чл.-кор. Кондратьев, проф. Зельдович, проф Нейман, Садовский, Лейпунский и др.). Я не говорю уже о проф. Харитоне, моем самом близком и давнем сотруднике, который показал уже, как быстро могут наши специалисты переключаться на новые рельсы.
Всего из 40 человек научных сотрудников института я предполагаю лично использовать 15 человек.
Кроме того, у меня есть прекрасный организатор — инженер Куюмджи, который обеспечит развитие мастерских и строительств.
2. С того момента как ядерная физика родила цепную ядерную реакцию и атомный взрыв, она попала, в сущности, в область, гораздо более богатую содержанием, в область, где хорошо известные физикам-ядерщикам элементарные ядерные явления переросли в интегральное явление ядерной цепной реакции и атомных взрывов.
Вы вряд ли представляете себе, до какой степени глубока аналогия между этими явлениями и обычными в химии цепными реакциями и взрывами. Некоторые давно мной открытые законы вновь открываются в атомной физике.
В области же обычных цепных реакций и взрывов мы являемся настоящими специалистами, и я думаю, что наши работы по теории этих явлений не только не отстают, но часто идут впереди американских и английских.5
Пользуясь знакомыми нам аналогиями и чутьем в области цепных реакций и взрывов, мы, как я думаю, сумеем внести некоторую новую струю в дело ядерной цепной реакции и атомных взрывов и вместе с настоящими физиками ядра, какими являются Курчатов и Алиханов с их учениками, сумеем создать полноценный коллектив для работы в области атомной энергии.
Но все же я отчетливо понимаю, что без пополнения нашего коллектива примерно 15 научными и 15 инженерными сотрудниками недостающих у нас специальностей, и притом самыми первоклассными, нам не справиться с задачей.
У нас нет радиотехников, физиков-оптиков, специалистов по электроприборам, математиков и т.п.
У нас недостает физиков-теоретиков.
Поэтому я готов идти на указанный выше риск и возглавить исследование по ядерным цепным реакциям и атомным взрывам лишь при двух условиях, без выполнения которых я не могу взяться за дело, т.к. считаю, что без этих условий оно будет обречено на неудачу.
Эти условия следующие:
1. Пополнение коллектива Института химической физики нужными нам выдающимися физиками-экспериментаторами, теоретиками и инженерами по радиотехнике, электроприборам, оптике и т.п. по представляемым мной спискам.
Первый список содержит следующих абсолютно необходимых руководящих лиц: Келдыш, Седов, Ландау, Лебедев, Шнирман, Ландсберг, Мандельштам, Франк-Каменецкий, которых надлежит перевести в институт из других учреждений, и наши сотрудники Садовский и Нейман, которых надлежит освободить от совместительства в других учреждениях, поскольку они числятся на основной работе не у нас.
Дополнительный список, содержащий особенно инженерный состав, будет вскоре представлен.
Первому главному управлению, Академии наук, Министерствам вооружений, электропромышленности и авиационной промышленности нужно дать указания помогать нам в укомплектовании института дополнительными кадрами.
Я полагаю, что при малом числе специалистов по ядру, к тому же полностью занятых на неотложных практических проблемах атомной энергии, нет иного пути конкурировать с Америкой в деле развития науки об атомной энергии, как только быстро переключать на эти проблемы лучших экспериментаторов, теоретиков и инженеров страны, независимо от того, сколь важны работы, которые они сейчас выполняют, в надежде, что они6 по своим способностям сумеют быстро переучиться и освоить новую для них область.
2. Обеспечение работы спецсектора Института химической физики лабораторными помещениями, а всех сотрудников института — жильем. Весь план мероприятий по этому пункту намечен в проекте Постановления. Я прошу его утвердить полностью, т.к. он составлен без всякого запроса. Кроме того, прошу назначить от Совета Министров постоянного контролера, который самым жестоким образом следил бы за работой строительных организаций и обеспечивал бы безусловное выполнение каждой строительной работы точно в срок, предусмотренный Постановлением Совета Министров. В случае каких-либо опозданий я просил бы вмешательства Совета Министров.
Кроме указанных условий, при удовлетворении которых я готов взяться за указанную работу, весьма важным является вопрос о том, как понимать дело, мне поручаемое.
Я рассматриваю это дело как создание в стране ведущего научного центра по теории ядерных цепных реакций и взрывов, каковой центр, кроме общетеоретических задач в этой важнейшей области, имеет две практические цели, а именно:
1) Обслуживание практических вопросов, решаемых Лабораторией № 2, соответствующими теоретическо-расчетными работами и экспериментами, работами по развитию во времени цепной реакции, по ядерным константам и динамике взрыва, в частности, организации наблюдения первого атомного взрыва.
2) Выяснение возможных путей использования для добывания атомной энергии других элементов, особенно более распространенных.
Таким образом, я рассматриваю поручаемое мне дело как такое, которое по принципиальной научной значимости проблем и их трудности далеко выходит за пределы обычного привлечения научных институтов в плане их профиля для решения тех или иных отдельных вопросов, и рассматриваю создание центра по ядерным цепным реакциям и атомным взрывам как мероприятие, приближающееся по своему значению (конечно, не по масштабам) к организации Лаборатории № 2.
Вот все предварительные замечания, которые я хотел сделать и на которые хотел бы сегодня получить7 ответ.
Переходя к вопросам плана научных работ, я должен предупредить, что, не имея еще заведующих лабораториями и не успев еще лично войти в область ядерной физики, я могу лишь наметить основные задачи плана, но пока не представляю себе конкретно методов исследования и деталей выполнения этих задач. Я хочу ограничиться пока перечнем основных задач и просить разрешения представить конкретный план к 1 июля этого года. 3 месяца я употреблю на:
1) быструю организацию расчетно-теоретического отдела, с тем чтобы он немедленно начал работать, особенно над выполнением заданий Лаборатории № 2;
2) организацию коллектива, его предварительное обучение физике ядра и, что самое главное, как раз на конкретную разработку плана работ на год, т.е. с 1/VII46 г. по 1/VII47 года.
Всего в плане намечается 5 больших задач, из них 3 экспериментальных и 2 расчетных. Особое значение я придаю первым двум экспериментальным задачам.
1. Лично меня более всего увлекает задача «интегрального» изучения цепной реакции в уране-235 и плутонии, понимая под этим термином изучение цепной реакции в ее натуральном виде в условиях, близких к критическим, но не доводя реакции до взрыва. Я хотел бы этим заниматься лично сам в паре с лучшим экспериментатором-физиком нашей страны (хотелось бы Лебедева), каковым я считаю, после академика Капицы, академика Лебедева. Так как интегральное изучение реакции, в первую очередь критической массы в разных условиях, и развития цепной реакции во времени в надкритических условиях требует операции с большим количеством урана-235 или плутония, то для решения задачи потребуется предоставление нам для опытов этих веществ в количествах примерно тех же, что и для взрыва.
Опыты, по-видимому, совершенно безопасны и могут быть поставлены невдалеке от Москвы на испытательной станции (состоящей из стенда и небольшой подсобной мастерской), которую надлежит отстроить в первой половине 1947 года.
Я полагаю, что не только теоретическое, но и чисто практическое значение этих интегральных опытов будет очень велико. Действительно, они позволят нам, прежде чем взорвать данную порцию вещества (а это с данной порцией можно сделать лишь один раз), сделать предварительно множество, так сказать, пробных взрывов или, вернее, первых фаз взрывов, не давая взрыву развиться, и тем самым сохранить в целости вещество. Как я думаю, мы сможем на этой установке с исчерпывающей полнотой установить наиболее практически важные величины, как-то: время развития одного звена цепной реакции (т. е. дать возможность точно рассчитывать время развития взрыва в реальных условиях), вероятность преждевременного взрыва, действие отражателя и т.п.
Из опытов по определению критических масс при различной геометрической форме можно будет с несравненно большей точностью, чем из элементарных опытов, получить все ядерные константы.
Одновременно такая установка может служить мощным источником быстрых нейтронов, по-видимому, значительно более интенсивным, чем циклотрон. Это откроет пути новых исследований различных веществ, в частности, в направлении изысканий возможностей вовлечения в практику атомной энергии других элементов, кроме урана и плутония. Наконец, эта же установка даст возможность ставить исходные эксперименты в направлении устройства атомных котлов на быстрых нейтронах, быть может, применимых для специальных видов транспорта.
Если в области циклотронов и вообще методов элементарных исследований Америка имеет перед нами огромные преимущества, определяемые тем, что там, так сказать, «старт» в этих вопросах произошел на 15 лет раньше, чем у нас, то в области таких интегральных опытов мы можем оказаться в равных условиях; и если приняться за сооружение этой установки достаточно энергично, с хорошими силами, то можем действительно думать о том, чтобы догнать и перегнать Америку в вопросах изучения ядерных цепных реакций.
Пока А заметно меньше 10-2, время увеличения скорости реакции в е раз измеряется секундами и даже минутами и определяется только величиной т. Это даст полную возможность точного измерения величины т2.
Однако для взрыва нас интересует только величина тг Оказывается, что при А = 0,02, т.е. когда масса в точности равна второй, только и интересной для взрыва критической массе — R, время развития реакции в е раз составляет две тысячных секунды и равно одной десятой от среднего геометрического величин и т2.
Поскольку число начальных нейтронов очень мало, то для того чтобы реакция заметно развилась, надо время примерно в десять раз большее, т.е. равное 2-4 сотым секунды. За такое время мы, как я полагаю, можем успеть провести все нужные измерения, а также можно провести те перемещения масс, которые необходимы как для создания нужной надкритичности, так и для автоматической ликвидации этой надкритичности и прекращения реакции, когда она сделается слишком быстрой. Скорее всего, роль этого автоматического приспособления сыграет тепловое расширение. Впрочем, если это время окажется слишком малым для нужных манипуляций, мы сможем, как показывает расчет, получить нужные сведения о величине т при А < 10-2.
Например, если А = 10-2-10-5, то время, которое будет в нашем распоряжении, измеряется уже не сотыми, но десятыми долями секунды, что уже вполне достаточно для того, чтобы успеть15 нужным образом увеличить надкритич- ность и провести все измерения скорости реакции как функции времени. При этом сроки развития в е раз реакции уже существенно (процентов на 10) определяются не только т2, но и xv
Конечно, установка должна быть верхом механической точности, но все же видно, что устроить ее можно и что постановка опытов по развитию первой фазы взрыва осуществима.
На ближайший год, с 1. VII по 1. VII г., я предлагаю поставить задачу проектирования, изготовления и монтажа стенда и установки, которые должны быть установлены на экспериментальной станции и готовы к действию.
2. Вторая задача — это подготовка к наблюдению за атомным взрывом. Эта задача имеет большое практическое и теоретическое значение. Практически — это количественная оценка эффективности взрыва, детальная количественная характеристика его действия, что должно лечь в основу оценки конструкции, а также будущих мероприятий по защите; теоретически — это измерение динамики взрыва и единственная возможность получения сведений о состоянии вещества при температурах, измеряемых сотнями миллионов градусов. Придется наладить измерения характеристики ударной волны и отдельно — жесткого, ультрафиолетового, инфракрасного, нейтронного и электронного излучений, температуры газа, сейсмической волны. Здесь имеют место две основные трудности:
а) предварительные теоретические расчеты атомного взрыва хотя и могут дать ориентировочно указания на интенсивность всех видов излучений и ударной волны, но на точность этих расчетов никак нельзя полагаться, особенно ввиду того, что не исключена возможность изменения известных нам законов природы при температурах в тысячу раз более высоких, чем известные нам до этого времени. Поэтому нельзя заранее определить, какую шкалу чувствительности должны иметь приборы, и, видимо, придется ставить несколько приборов разных чувствительностей в каждой точке. В большей части точек приборы будут разрушены взрывной волной, а где и не будут разрушены, то, во всяком случае, будут находиться в зоне, опасной для прямого наблюдения. Поэтому показания приборов за время между приходом излучения и ударной волны должны передаваться автоматически, на диспетчерский пункт. Можно ожидать, что в момент взрыва получатся мощные электрические колебания, которые могут сильно исказить радиопередачу. Поэтому придется страховаться кабельной передачей от приборов к диспетчерскому пункту, а для приборов, находящихся вне сферы разрушения, использовать также тот или иной вид записей на месте. Это вызовет очень большую сложность передачи и, опять-таки, увеличит число приборов в каждой точке. Если к тому же учесть, что мы должны довольно подробно изучить явления взрыва в одной из плоскостей, проходящих через точку взрыва, с измерениями не только на земле, но и в воздухе, на разных расстояниях, а для проверки шаровой симметрии — поставить в некотором числе приборы в точках поверхности одной хотя бы сферы вокруг взрыва как центра этой сферы, то мы получаем внушительную картину того огромного количества приборов и сложности диспетчерской связи с ними, которую будет представлять собой организация наблюдения атомного взрыва. Здесь придется занять под производство этих приборов ряд мастерских заводов и получить радиоаппаратуру из Германии;
б) еще более сложной представляется разработка всех типов приборов. Здесь нельзя будет воспользоваться готовыми типами, так как работа их будет проходить в течение очень краткого времени и, что особенно существенно, в условиях невиданно сильного одновременного воздействия различных форм энергии. Чтобы сделать прибор совершенно нечувствительным ко всем видам энергии, кроме одного, который ему надлежит мерить, надо проделать очень сложную работу по конструированию и опробованию этих приборов, да еще при таком положении, когда опробовать этот прибор в тех условиях, в которых ему придется работать, не будет возможности. Кроме того, нельзя ограничиться только измерением суммарных интенсивностей излучения или ударной волны, но хотя бы частично надо ставить и конструировать приборы, записывающие ход интенсивности за время развития атомного взрыва.
Конечно, наш соответствующий отдел, как бы он хорошо ни был укомплектован людьми, не сможет целиком выполнить эту работу по всем видам приборов и связи. Во многих случаях роль такого отдела будет заключаться в выработке технических условий на приборы, конструировать которые будет поручаться тем или иным исследовательским институтам.
Несомненно, что здесь не удастся обойтись, в частности, без некоторой помощи академика Алиханова и Физико-технического института академика Иоффе. Академик Лебедев будет частично (наряду с выполнением заданий № 1) привлечен к этой работе.
Придется также обеспечить быстрое оборудование нашего отдела всеми необходимыми обычными приборами, нужными для опытов при конструировании и опробовании этих новых методов измерений. Для этого надо немедленно командировать двух наших представителей в Америку и Германию и обеспечить им быстрое получение нужных приборов. Следует отметить, что наш институт, особенно после двух эвакуаций, совершенно не располагает никакой нужной для этих целей электроизмерительной, оптической и рентгеновской аппаратурой и без получения ее из-за границы не сможет приступить к этой важнейшей работе. В июле 1947 г. я предложил бы сделать генеральную репетицию работы всех аппаратов и схемы путем организации опытного взрыва 1-2 тыс. тонн тротила.
Наконец, очень важным является подбор людей для решения этой второй задачи. Наш институт в том составе, как он есть сейчас, никак не может целиком справиться с этой задачей. Только измерения ударной волны могут быть обеспечены руководством в лице М.А. Садовского и то при условии немедленного его освобождения от работы в спецотделе Академии наук. Электроизмерительная часть могла бы быть обеспечена руководством Шнирмана, которого необходимо немедленно освободить от его обязанностей по Институту машиноведения Академии наук и передать в институт имеющееся в его распоряжении оборудование. Садовский и Шнирман являются единственными специалистами, организовавшими наблюдения при мощных (до 2 ООО тонн) взрывах обычных взрывчатых веществ.
Оптическая часть и вообще измерение излучений могут быть обеспечены только чл.-кор. Ландсбергом и Мандельштамом, которых необходимо перевести в наш институт из Физического института Академии наук, дав им возможность взять к нам заимообразно всю необходимую аппаратуру.
В указанной группе совершенно необходим крупный физик-экспериментатор с широким кругозором. Перебирая всех физиков-экспериментаторов, я не нашел иной фигуры, кроме проф. Ландсберга, и потому его участие абсолютно необходимо. Конечно, кроме указанных лиц, придется пополнить эту группу значительным числом лучших инженеров-исследователей, переведя их к нам из соответствующих заводов и институтов электропромышленности, Министерства авиапромышленности и вооружений.
3. Третья задача — определение ядерных констант из элементарных опытов16. Эту работу необходимо организовать по следующим причинам:
а) в случае неудачи с первой задачей элементарные опыты являются единственной перестановкой, которая необходима для получения сведений, нужных для расчетов критической массы и развития во времени реакции;
б) нельзя, чтобы в Советском Союзе совсем не были поставлены те методы изучения ядерных реакций, которые связаны с элементарными опытами и которые получили столь широкое развитие за границей.
Ближайшей целью этих исследований является определение сечений рассеяния и деления, а также чисел деления для урана-235, урана-238 и плутония.
Однако чтобы ставить эти опыты, нужна очень солидная методическая подготовка. Необходимо освоить все применявшиеся за границей методы и перенять весь опыт по ядерным экспериментам, которые есть у нас. К декабрю этого года должен быть построен высоковольтный зал при нашем институте и изготовлена в Германии установка на 3 миллиона вольт, спроектирована, заказана и изготовлена вся измерительная аппаратура. В течение первой половины 1947 года должен быть проведен весь монтаж установки и приборов и организована лаборатория для радиохимических методов исследования, а также при- ступлено к первым экспериментам по ядерным константам.
Сотрудники лаборатории под руководством чл.-кор. Кондратьева и проф. Неймана должны использовать первые полгода на детальное ознакомление с методами ядерной физики, в частности в Лабораториях № 2, 3 и Радиевом институте, и на заказ нужных приборов. Экспериментальный опыт проф. Кондратьева и разностороннее образование проф. Неймана обеспечат, как я думаю, быструю организацию этих работников в новой, пока совершенно неизвестной для них области ядерной физики и химии.
Все же, конечно, для того чтобы правильно ставить опыты в этой очень сложной, хорошо разработанной и очень специальной области, будет очень трудно обойтись без специалистов по ядру, получить которых неоткуда.
Поэтому было бы крайне важно, если бы можно было послать хотя бы на полгода кого-либо из наших работников на обучение к таким крупнейшим специалистам, какими являются (особенно в области радиологии) супруги Жолио-Кюри во Франции. Придется также в какой-то мере использовать имеющихся у нас немецких специалистов.
Кроме того, я рассчитываю здесь на активную помощь т.т. Алиханова и Курчатова.
Кроме трех указанных экспериментальных работ, будет вестись ряд теоретических расчетных работ в области теории ядерных цепных реакций и динамики атомного взрыва. Из них главнейшими являются:
4. Теория динамики атомного взрыва во всех его стадиях, в зависимости от условий сближения, а также расчеты действия взрыва, распределения энергии взрыва по разным формам, расчеты ударной волны, преобразования энергии в окружающем пространстве и т.п.
5. Расчеты с перспективными возможностями, особенно по вопросам, связанным с возможностями использования атомной энергии других, более распространенных элементов, и с возможностями устройства малых атомных котлов на быстрых нейтронах для целей специальных видов транспорта.
Для проведения очень трудоемких расчетно-теоретических работ будет создан соответствующий отдел, во главе которого я полагаю поставить проф. Зельдовича как ученого, одинаково близкого к теории и эксперименту и проникнутого общими идеями нашего Института. Он обеспечит тесное взаимодействие расчетно-теоретического отдела с экспериментальными отделами.
Отдел будет состоять из групп теоретической физики и группы механикоматематической и расчетного бюро. Последнее должно быть оборудовано всеми счетными машинами и состоять примерно из 20 выполнителей17, т.к. только при этом удастся быстро решать крайне трудоемкие задачи.
От работы расчетно-теоретического отдела будет зависеть очень многое, т.к. этот отдел должен освещать пути развития эксперимента и конструкций. Он должен быть укомплектован первоклассными учеными. Что касается группы математики и механики, то перевод в институт чл.-кор. Келдыша с сотрудниками вполне обеспечит эту сторону дела, т. к., по самым авторитетным отзывам, Келдыш является в своей области едва ли не наиболее талантливым ученым в стране. Организацию расчетного бюро я хотел поручить Институту математики, работающему под руководством академика Виноградова.
Значительно сложнее обстоит дело с теоретической физикой, т.к. все теоретики (проф. Ландау, проф. Тамм и их ученики) уже так или иначе работают в Лаборатории № 3 и в Физическом институте АН в связи с космическими лучами. Выход один — просить академика Алиханова согласиться на организацию единой теоретической группы под руководством проф. Ландау и Тамма.
Без этих двух ученых невозможно организовать группы теоретической физики. Что касается академика Фока, то он отказался принимать систематическое участие, т.к. занят радиолокацией, и дал согласие лишь на использование его в крайних случаях для решения отдельных определенных задач.
Таковы в общих чертах задачи плана Института химической физики.
Вкратце эти задачи и план организации отделов формулируются так.
Н. Семенов