Последний алхимик в Париже. Увлекательные истории из мира химии

Я не знаю, удавалось ли кому-то из этих любителей найти золото и получить – по крайней мере, в США – щедрую награду от правительства. Однако в конце войны для страны, которая хотела быстро обзавестись ядерным оружием, обещания будущих шахт от геологов и геологоразведчиков были слабым утешением. Казалось, что удобное решение под рукой, когда выяснилось, что для получения урана, вероятно, можно использовать низкосортные руды золотых приисков Витватерсранда неподалеку от Йоханнесбурга[18 - Willis R.P.H. The Uranium Story – An Update // The Journal of The South African Institute of Mining and Metallurgy, 106. 2006. P. 601–609; Masiza Z. A Chronology of South Africa’s Nuclear Program // The Nonproliferation Review Fall, 1993. P. 35–55.]. Пробританский премьер-министр Южно-Африканского Союза фельдмаршал Ян Смэтс активно стремился к сотрудничеству, и переговоры уже велись, когда в 1948 году его партия проиграла выборы и к власти с большим перевесом голосов пришла Национальная партия под руководством Даниеля Франсуа Малана.

Новый режим немедленно принялся внедрять идеологию апартеида, и в июне 1949 года, когда происходило собрание кготла в Серове, парламент единогласно принял закон о запрещении смешанных браков. Вследствие этого Национальная партия ни за что не потерпела бы громкий смешанный брак прямо у себя под носом. Именно это и сообщил британскому правительству Д.Ф. Малан после триумфа Серетсе в Серове. Однако точных последствий в случае отказа британцев сотрудничать он не озвучил.

Различные правительства Великобритании долгое время отрицали, что находились под давлением Южной Африки, и использовали полуправду и беспочвенные обвинения для оправдания своих действий[19 - Parsons, Seretse Khama.]. Однако в 1986 году кембриджский историк Рональд Хайам представил доказательства обратного[20 - Hyam R. The Political Consequences of Seretse Khama: Britain, the Bangwato and South Africa, 1948–1952 // The Historical Journal, 29. 1986.], а в 1990 году независимо от Хайама это сделал журналист Майкл Датфилд в своей книге «Брак не по расчету»[21 - Dutfield, A Marriage of Inconvenience.].

Вероятно, Национальная партия потратила некоторое время на поиски наилучшего инструмента убеждения, и, похоже, они выбрали для этого уран. Вскоре после того, как верховный комиссар Лейф Эгеланн лично доставил первое гневное послание от премьер-министра ЮАС, он же отправил ноту госсекретарю по делам Содружества, в которой заявлял, что переговоры по урану будут прекращены по крайней мере до конца октября 1949 года.

Затем на сцене появилось третье действующее лицо, которое, возможно, сделало урановый вопрос самым актуальным. 29 августа 1949 года Советский Союз удивил весь мир, и особенно западную разведку, взорвав первую ядерную бомбу более чем на три года раньше, чем ожидалось по оценкам ЦРУ.

Суть этой истории в том, что Рут, Серетсе и их маленькая дочь Жаклин жили в ссылке в Англии при двух британских правительствах подряд, несмотря на то что кабинеты министров попали под жестокий огонь критики со стороны национальной и международной прессы, и надо сказать, что некоторые (хоть и не все) британские чиновники, имевшие отношение к этому делу, испытывали искренние угрызения совести. Премьер-министр Эттли заметил: «Как будто нас вынудили согласиться на отречение от престола Эдуарда VIII, чтобы не раздражать Ирландское Свободное государство и Соединенные Штаты Америки»[22 - Hyam R., Henshaw P. Prime Minister’s Office Papers // The Lion and the Springbok: Britain and South Africa Since the Boer War. Cambridge University Press, 2003.].

В 1952 году заработал первый в Южной Африке урановый завод[23 - Willis, The Uranium Story; Masiza, A Chronology of South Africa’s Nuclear Program.], а 26 сентября 1957 года супружеской паре Кхама позволили вернуться домой, хотя Серетсе официально так и не признали вождем бамангвато. К тому времени, как и предсказывали, на рынке уже было достаточное количество урана, а Южная Африка была в любом случае проигранным делом для Содружества: до знаменитой речи Гарольда Макмиллана «Ветер перемен» в Кейптауне[24 - 3 февраля 1960 года в Кейптауне, говоря о деколонизации, Макмиллан объявил, что «над этим континентом веет ветер перемен, и Великобритания вынуждена с этим считаться». После этого в том же году большинство африканских колоний получили независимость.] оставалось всего два с половиной года.

На этом заканчивается история об уране, но не история Серетсе и Рут Кхама. Читатели восхитительной серии книг Александра Макколла Смита о «Женском детективном агентстве № 1», возможно, обратили внимание на портрет, висевший на стене у Мма Рамотсве: портрет первого президента Ботсваны сэра Серетсе Кхама, 1921–1980[25 - Леди Рут Уильямс Кхама, 1923–2002.]. Мма Рамотсве глубоко его почитает и ставит на один уровень с королевой Великобритании и Нельсоном Манделой[26 - McCall Smith A. The Number One Ladies Detective Agency. Polygon, 1999.].

Так была ли принудительная ссылка четы Кхама следствием южноафриканского шантажа по поводу урана? Мы не знаем этого наверняка. Рональд Хайам и Питер Хеншоу утверждают в книге «Лев и антилопа: Великобритания и Южная Африка после Англо-бурской войны» (2003)[27 - Hyam, Henshaw, The Lion and the Springbok.], что правительство Великобритании было больше озабочено прямой аннексией своих южноафриканских протекторатов Южно-Африканским Союзом и что высылка четы Кхама рассматривалась как невысокая цена за защиту жителей нынешних Ботсваны, Лесото и Свазиленда от ига апартеида.

В то же время Хайам и Хеншоу отмечают, что для большинства министров это был стратегический вопрос, включавший в себя доступ к важным полезным ископаемым и основанный на «контексте и требованиях холодной войны». Уязвимость протекторатов сильно заботила министров и чиновников. Однако в британских архивах, похоже, нет доказательств прямой связи между прекращением переговоров по урану в 1949 году и действиями, предпринятыми против четы Кхама. Ответ на вопрос, разыгрывали ли южноафриканцы урановую карту в этой игре, следует искать в архивах Претории.

По моим личным представлениям, на короткий период 1949 года, последовавший за испытаниями советской бомбы, урановый вопрос сохранял важность, но в том, что касается всех действий, предпринятых британским правительством в последующие годы, был лишь одним из нескольких вторичных факторов, влиявших на его решения; вторым таким фактором были расовые предрассудки.

Некоторые говорят, что история Рут и Серетсе послужила источником вдохновения для последнего фильма, в котором снялся Спенсер Трейси, – «Угадай, кто придет к обеду?», где также снялись Сидни Пуатье, Кэтрин Хотон и Кэтрин Хепберн, а режиссером стал Стэнли Крамер. В этой классической голливудской постановке[28 - Фильм получил два «Оскара»: Хепберн получила награду за лучшую женскую роль, а Уильям Роуз – за лучший оригинальный сценарий.] Хотон – молодая белая женщина из среднего класса – приглашает своего жениха Пуатье, с которым она недавно обручилась, на обед со своими родителями. Фильм вышел на экраны в 1967 году, через полгода после того, как Верховный суд США признал незаконным запрет на межрасовые браки. В то время этот запрет широко применялся в 17 штатах, и «преступление» каралось тюремным заключением. Последним штатом, официально удалившим из свода законов этот так называемый акт против смешения рас, была Алабама в 2000 году[29 - Campbell D. Alabama Votes on Removing its Ban on Mixed Marriages Special Report: The US Elections // The Guardian, 3 November 2000.].

Почему же оценки ЦРУ касательно русской атомной бомбы оказались столь неприлично ошибочными? В главе 2 мы исследуем ту часть Периодической таблицы, которая дает ответ на этот вопрос.

2

Из Биттерфельда с любовью

В сентябре 1961 года Генри Лёвенхаупт бросил последние куски восточногерманского металлического кальция в реку Потомак и наблюдал за бурной реакцией, в результате которой вода закипела, поскольку металл передал два своих электрона в молекулы H

О, в результате чего выделился водород и большое количество тепла. Разбор химических реакций может показаться пугающе трудным занятием, но на самом деле это совсем несложно, и по мере своего рассказа я обязательно продемонстрирую вам парочку уравнений. Просто запомните, что атомы и электроны никогда никуда не исчезают, и вы во всем разберетесь.

В виде уравнения описанное выглядело бы так:

Ca + 2H

O ? Ca

+ H

+ 2OH

.

Возможно, оно покажется вам немного похожим на реакцию металлического натрия с водой, которую многим из нас демонстрировали в школе; так оно и есть. Однако реакция с кальцием протекает немного медленнее, и в ней выделяется меньше энергии, потому что от атома отрываются два электрона, а не один, как в случае с натрием[30 - При реакции с металлическим натрием выделяется такое количество тепла, что водород иногда воспламеняется.]. (Отрыв электронов представляет собой то, что мы называем окислением, и кальций изменил степень окисления с 0 на +2.)

Мистер Лёвенхаупт наверняка все это знал. Он окончил Йельский университет, принимал участие в Манхэттенском проекте по созданию первой атомной бомбы и посвятил оставшуюся часть своей карьеры работе в ЦРУ – с основания этой организации в 1947 году и до своей отставки в 1991-м[31 - Некролог Henry S. Lowenhaupt, 87; CIA Trailblazer // The Washington Post. 14 March 2006.]. Брошенный в Потомак металлический кальций был остатками проекта, который мог бы спасти ЦРУ от первой для них крупной неудачи и который был частью одной из самых изощренных диверсионных операций в истории – операции «Гаечный ключ»[32 - Lowenhaupt H.S. Chasing Bitterfeld Calcium // Studies in Intelligence, 1 (17). 1996 (подчищенная версия: оригинал опубликован в 1973 г.).].

Как мы выяснили в главе 1, испытания первой советской атомной бомбы в 1949 году стали полной неожиданностью для ЦРУ и МИ6. Но к их чести – по крайней мере, к чести американцев – надо отметить: для русских стало полной неожиданностью, что их немедленно вычислили. (Устройство этой системы обнаружения уже само по себе является интереснейшей историей.) Так почему же разведки США и Соединенного Королевства так катастрофически недооценили скорость развития сталинской атомной программы? По существу, они неверно оценили способность Советского Союза производить уран. Для этого в дополнение к существующим запасам, захваченным у немцев, использовались бедные ураном руды из шахт в Уральских горах.

Шпионаж непосредственно на русских атомных объектах был исключен, однако большое количество информации можно было добыть из других источников. Одной из важных целей был Uranverein – «Урановый клуб» нацистской Германии: это кодовое название носила программа по созданию атомной энергии и ядерного оружия, которая попала под управление русских на оккупированной ими территории. Одним из ключевых вопросов было то, как именно русские собирались получать уран из урановых руд.

Согласно общему правилу, металлы нестабильны в своей нейтральной форме (с нулевой степенью окисления), с известными исключениями в виде благородных металлов – золота и серебра – и меди, которые, если вам повезет, можно обнаружить в виде самородков. Эти металлы очень крепко держатся за свои электроны, чем кардинально отличаются от натрия и кальция, которые только и ждут чего-то подходящего, чтобы сбросить туда электроны со своей последней заполненной орбитали[33 - Мы использовали это слово в предисловии; возможно, в школе вы слышали другой термин – электронная оболочка.].

При определенных обстоятельствах уран может быть так же хорош, как золото, но он ни в коем случае не является благородным металлом. В природе он обычно встречается в форме со степенью окисления +4, U

, с четырьмя оторванными электронами, обычно соединяясь с кислородом в UO

(или в минерал уранинит с примерной формулой U

O

, в котором сосуществуют ионы U

и U

). Чтобы вернуть электроны на место и получить металлический уран, нам потребуется нечто, что очень хочет отдать свои электроны, – то, что мы называем сильным восстановителем.

Большинство химических реагентов, которые используются при производстве урана из урановой руды, ничем не примечательны и используются также и для других целей, но из-за того, что уран настолько неблагородный, ему требуется очень сильный восстановитель, чтобы стать металлом. Немцы использовали металлический кальций, производившийся в Биттерфельде – маленьком городке под Лейпцигом в Восточной Германии и неподалеку от старой урановой шахты в Йоахимстале (Яхимове) в Чехии. Поскольку Германия была разделена оккупационными державами, а появление Германской Демократической Республики с ее строгим пограничным контролем было еще впереди, получение разведданных с занятой русскими территории было по крайней мере осуществимо, и МИ6 и ЦРУ пристально наблюдали за заводом в Биттерфельде (и друг за другом).

В 1947 году были собраны доказательства того, что завод в Биттерфельде ежемесячно производит 30 тонн дистиллированного металлического кальция высокой чистоты. Дистилляция ассоциируется у нас с отделением этанола от воды и производством спирта на винокурнях. Этот метод основан на разных температурах кипения двух веществ: этанол закипает при 78 °C, а вода – при 100 °C; однако на самом деле дистилляция – это очень распространенный метод очистки в химической промышленности, применимый к самым разным веществам. Если охладить воздух до состояния жидкости (для этого он должен быть очень-очень холодным), его можно подвергнуть дистилляции и выделить разные его компоненты, такие как азот или неон[34 - Это важный промышленный процесс. Неон и другие благородные газы используются в самых разных целях, а жидкий азот очень важен для охлаждающих установок, но его нужно отделить от жидкого кислорода – весьма опасного вещества.]. Кальций плавится при 842 °C и кипит при 1484 °C, но эти температуры снижаются при понижении атмосферного давления. Однако для этого вовсе не обязательно строить химический завод в Гималаях, поскольку создать похожие условия на заводе довольно легко, и в 1946 году США уже внесли вакуумные насосы в «список контроля за экспортом», помешав торговой организации русских получить большой заказ.

Задача, стоявшая перед Лёвенхауптом и его коллегами, звучала так: им нужно было удостовериться, что 30 тонн кальция в месяц отправятся для использования в советской ядерной программе, а не для какого-либо понятного употребления в немецкой промышленности. Проведя расследование, они установили, что около 5 тонн не особенно чистого металла ежемесячно производилось во время войны для компаний Osram и Phillips – по всей видимости, для изготовления радиоламп; еще 20 тонн различных сплавов кальция с алюминием и цинком ежемесячно продавались немецким железным дорогам. Таким образом, получалось, что 30 тонн дистиллированного кальция никак не могли попасть к покупателям в немецкой промышленности, и, когда находившийся на заводе в Биттерфельде агент сообщил, что 26 июля 1947 года три железнодорожных вагона с дистиллированным кальцием отправились по адресу: Электросталь, Москва, п/я 3, Курская железная дорога, все должны были понять, что правда выплыла наружу.

Чтобы выяснить, что именно русские собирались делать с этим кальцием, агент на заводе в Биттерфельде похитил его образец, и, когда ЦРУ получили результаты полного анализа, стало ясно, что он обладает всеми техническими характеристиками, необходимыми для преобразования ионов урана в металлический уран высокой степени чистоты, готовый для применения в атомной энергетике. Добиться этого можно было следующим способом: сначала нужно было создать молекулы UF

, а затем провести их реакцию с металлическим кальцием, чтобы получить фторид кальция и металлический уран. Эту реакцию удобнее записать в виде вот такого уравнения:

2Ca + UF

? 2CaF

+ U.

Вы не видите в подробностях, как электроны меняют свою принадлежность в этой реакции, но, поскольку фтор всегда считается имеющим степень окисления минус один, за исключением газообразной формы F

, легко понять, что уран стартует со степени окисления +4, а каждый из двух атомов кальция приходит к степени окисления +2.

Одно из полезных свойств уравнения химической реакции заключается в том, что теперь мы можем точно подсчитать, сколько урана русские могли производить каждый месяц. Не буду утомлять вас деталями[35 - Тем не менее вот эти детали. На каждый атом урана вам требуется два атома кальция. Поскольку атомная масса урана – 238, а кальция – 40, это означает, что на 80 г кальция вы можете получить 238 г урана, а 30 тонн кальция дадут вам (по крайней мере, если теоретически предположить, что реакция пройдет хорошо) 30 ? 238: 80 = 187 тонн урана.], но этот процесс не особенно отличается от подсчета количества меренги и майонеза, которое вы можете приготовить из определенного числа яиц. Поскольку уран гораздо «тяжелее» кальция, теоретически можно получить почти 200 тонн урана из 30 тонн кальция. При реальном производстве эта цифра ниже, а кальций используется с большим избытком. Американцы подсчитали, что с техническим максимальным выходом, равным примерно 1:2,2, из 30 тонн кальция получится лишь 66 тонн урана.

И все же основанные на этих цифрах подсчеты демонстрировали, что у русских гораздо больше урана, чем предсказывалось на основании доступных им источников этого элемента. По неясным причинам (Лёвенхаупт винил в этом «спесь») эта информация не привела к соответствующим действиям, иначе дата первых испытаний русской атомной бомбы наверняка была бы пересмотрена. Неизвестно, привело бы это к каким-либо изменениям, но фактором, который, возможно, оказал некое влияние, стала операция «Гаечный ключ», разработанная легендарным офицером МИ6 и химиком Эриком Уэлшем.

Самой важной технической характеристикой металлического кальция можно считать содержание примесного бора. Бор – элемент с символом В и зарядовым числом 5 – существует в природе в двух формах, которые мы называем изотопами: одна с пятью протонами и пятью нейтронами в ядре,

В, и одна с дополнительным нейтроном,

В, или бор-11 (использование надстрочных и подстрочных индексов показано на рисунке 6). Для ученых-ядерщиков бор-10 представлял собой большую проблему, так как его атомы поглощали любые нейтроны, которыми обстреливали образец урана, чтобы расщепить его атомы (а также вторичные нейтроны, полученные в результате этого расщепления, где продуктом был плутоний), в итоге превращаясь в бор-11. Если в металлическом уране было слишком много бора-10, то ядерная реакция просто прекращалась.