«Мауд коммитти» в своей деятельности опирался на меморандум из двух частей, подготовленный в марте 1940 года Рудольфом Пайерлсом и Отто Фришем. Два физика-изгнанника — один австриец, а другой немец — утверждали, что и другие ученые-атомщики могли раскрыть секрет атомной бомбы, и забили по этому поводу тревогу. Только для того чтобы продемонстрировать, что это не сложно сделать, они подготовили чертежи устройства весом в пять килограммов, способного произвести взрыв, эквивалентный взрыву многих тонн динамита. Эти чертежи фактически были первым проектом атомной бомбы — предшественницы бомбы весом в четыре с половиной тонны под названием «Малыш», которая была сброшена на Японию с самолета «Б-29», именовавшегося «Энола Гэй».
В процессе создания атомной бомбы устройство, сконструированное Пайерлсом и Фришем, получило название «подрывное устройство, или урановое ружье». Взрыв происходил за счет быстрого сжатия в цилиндре двух масс урана, помещенных с его противоположных концов и называемых «пуля» и «мишень», что и вызывало цепную реакцию. Используемый для этого уран не тот, который существует в природе, а изотоп урана-235, доля которого в природном уране составляет 71 %. Исследователи установили, что активным участником процесса расщепления атома является именно уран-235, а не уран-238, которого в составе природного урана содержится 99,28 %. Третьим естественным изотопом урана является уран-234, доля которого в составе природного урана составляет 6 % и который при бомбардировке атома дает очень незначительный эффект. Пайерлс и Фриш установили, что первым условием, которое необходимо выполнить при создании атомной бомбы, является получение из природного урана примерно одного фунта урана-235, который в незначительных количествах содержится в ураните и других редких минералах. Это оказалось новым существенным фактором, так как по прежним оценкам минимальное количество урана, необходимое для создания атомной бомбы, доходило до нескольких тонн, что превращало идею создания транспортабельной атомной бомбы в утопию. Пайерлс и Фриш подсчитали, что при использовании соответствующих технологий получение одного фунта урана-235 может занять несколько недель и, следовательно, бомбы можно делать конвейерным способом. Этот изотоп урана с его высокой способностью к расщеплению атомов должен сохраняться долями с массой, обеспечивающей гарантию от самопроизвольного расщепления до того момента, когда несколько таких долей соединяются вместе, образуя критическую массу.
Здесь следует еще раз обратиться к справке НКВД, в частности к той не очень понятной ее части, где говорится о «минимальной скорости относительного перемещения частей взрывчатой массы в шесть тысяч футов в секунду». Величина шесть тысяч фут/с появилась при первоначальном расчете скорости, с которой две части урана-235 должны были столкнуться друг с другом (отсюда и относительное перемещение). В справке уточняется, что даже при более низкой скорости столкновения «мощность взрыва будет неизмеримо выше, чем при использовании обычной взрывчатки». Однако при этом имеется риск преждевременного взрыва, то есть бомба вместе с непосредственным окружением могут взлететь на воздух.
В справке используется несколько терминов из ядерной физики, которые необходимо уточнить, так как в дальнейшем они еще будут встречаться: «критическая масса», «эффективное сечение», «диффузия». Первый термин, введенный Пайерлсом, обозначает минимальное количество урана, необходимое для осуществления цепной реакции. Произвольная масса урана, подвергнутая бомбардировке нейтронами, не обязательно даст взрыв, так как, если ее поверхность достаточно велика по отношению к ее объему, то большое количество нейтронов, высвобожденных в результате деления атомов, может не столкнуться с другими ядрами атомов и, достигнув поверхности этой массы, покинет ее. Когда же поверхность уменьшена по отношению к объему, то есть когда масса плотная, тогда высвобожденные нейтроны имеют больше шансов столкнуться внутри нее с атомными ядрами, прежде чем они покинут эту массу, что увеличивает вероятность возникновения цепной реакции. Именно эта масса и была названа «критической».
Количество нейтронов-»беглецов» можно сократить до минимума, если уран поместить в контейнер из стали или свинца. Вылетевшие через поверхность урана нейтроны отскакивают от внутренней стенки контейнера и вновь возвращаются к его центру, увеличивая таким образом шансы создания критической массы в более ограниченном объеме. Можно сделать контейнер из обычной или тяжелой воды или же из углерода в виде графита, для того чтобы замедлить или ослабить этот процесс. Использование модератора (замедлителя) имеет важное значение для управления процессом деления атомов и получения таким образом взрыва или непрерывного потока энергии, иными словами, атомного оружия или соответственно атомной электростанции.
Термин «эффективное сечение» подразумевает, что не каждое атомное ядро, на которое пришлось столкновение с нейтроном, обязательно дает в результате расщепление. В некоторых случаях оно поглощает нейтрон, отражает или рассеивает его. Вероятность или потенциал реализации каждого из этих трех вариантов — расщепления ядра, поглощения или рассеяния нейтрона — называется эффективным сечением. Эффективное сечение атомного ядра изменяется в зависимости от химического элемента, типа его изотопа и скорости нейтронов. Выраженное в долях квадратного сантиметра оно может рассматриваться как размер мишени на данной площади поверхности. Чем больше мишень, тем больше потенциал реализации, и соответственно чем она меньше, тем меньше этот потенциал.
В справке указывается, что англичане пока еще не замерили эффективное сечение урана-235 для процесса расщепления его атомных ядер при их бомбардировке быстрыми электронами. Одна из причин состояла в том, что экспериментаторы в основном занимались бомбардировкой медленными электронами урана-238. Другой причиной была нехватка достаточного для эксперимента количества урана-235. Но в отчете высказывается обоснованное предположение, что эффективное сечение урана-235 при бомбардировке быстрыми электронами не имеет существенного отличия от природного урана. Отто Фриш делал упор на бомбардировке урана-235 быстрыми нейтронами только в теоретическом плане. Это была непроверенная гипотеза, ведущая к объяснению «уранового ружья».
Выделение урана-235 из природного урана — последний технический вопрос, который хотелось бы рассмотреть. Для этого были разработаны четыре метода: термический, электромагнитный с использованием центрифугирования и газовый. Последний метод, называемый диффузионным, основан на том, что уран-235 легче урана-238. Если уран превратить в газ гексафлюорид или шестифтористый уран и пропустить его через фильтр, то будет получена некая газовая смесь, содержащая значительно больше урана-235, более легкая и свободнее проходящая через фильтр, чем газ, полученный из природного урана. Но этот обогащенный уран нелегко получить: с газом, который сокращенно называли «гекс», было сложно обращаться, а фильтр — трудно изготовить. Начали с того, что установили тонкие фильтры и пропускали газовую смесь через парообразную сельтерскую воду, пока не получили небольшое количество газа «гекс». Можете себе представить эту «кухню»! Вскоре разработали более тонкие методы диффузии газа «гекс» через определенное число металлических фильтров (ступеней), отсюда и упоминание в сообщении в Москву об установке в двадцать ступеней. Естественно, что для получения существенного объема обогащенного урана количество фильтрационных ступеней нужно было увеличить в тысячи раз; по завершении этой операции газ необходимо было перевести в твердое состояние. Как писал один из исследователей, не будь такого мощного стимула, как война, технические проблемы посчитали бы непреодолимыми.
