Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша - Ларс Орстрём

Несмотря на то что высокая концентрация и долгий прием тяжелой воды вредны для здоровья, в планы немцев не входило медленное отравление британцев D2O, произведенной на заводе Norsk Hydro’s Vemork в Рьюкане. Желание заполучить единственный в Европе крупный завод по производству тяжелой воды не было основной причиной оккупации немцами Норвегии в 1940 году, но это непременно принесло бы пользу Uranverein – нацистскому проекту по созданию ядерной бомбы.

К несчастью для нацистов, союзникам было известно о существовании завода в Рьюкане (в горах на юге Норвегии, в губернии Телемарк). Он был частью большой системы химических заводов, где основными реагентами служили электроны – очень дешевые электроны, которые использовались в самых разных процессах. Одним из направлений было производство газообразного водорода путем электролиза воды, в результате которого получался побочный продукт – вода, обогащенная D2O. Тяжелую воду здесь производили с середины 30-х годов, а последнюю предвоенную поставку тайно получило Второе разведывательное управление – орган военной разведки вооруженных сил Франции; 185 кг этой воды второпях привезли ради безопасности в Англию двое французских ученых, спасавшихся от немецкого вторжения в начале лета 1940 года[142].

Рисунок 24. Электростанция «Веморк» в Рьюкане. Коллекция Гундерсена / Норвежский музей промышленности.

Отдаленное расположение завода было благом лишь отчасти: его было легко защищать и патрулировать, но во многих отношениях он был более уязвим для дерзких диверсионных операций, чем если бы располагался, скажем, в Людвигсхафене на Рейне. Людвигсхафен служил домом большому химическому конгломерату, однако ему не хватало важного ресурса: дешевых электронов, которые можно получить на гидроэлектростанции.

Если у вас есть доступ к электричеству, вы можете провести электролиз, пропуская электрический ток через раствор при помощи двух электродов, как описывалось в главе 10. Если раствор водный, а напряжение достаточно высокое (это классический демонстрационный опыт из школьной программы), то вы получите газообразный водород там, где электроны попадают в воду и где собираются катионы (катод), и кислород там, где они снова возвращаются в замкнутую электрическую цепь (анод). Если вы работаете с расплавом оксида алюминия, то на катоде вы получите металлический алюминий, а из концентрированного раствора хлорида натрия (столовой соли) на аноде вы можете получить газообразный хлор. Все эти процессы служат рабочими лошадками для химической промышленности по всему миру.

В Рьюкане главной целью компании Norsk Hydro было производство аммиака, который далее переправлялся на одну из фабрик в Херёйе (да, то самое место, которое упоминалось в главе 10), где из него делали азотную кислоту и удобрения. Первоначально азотную кислоту производили прямо в Рьюкане, используя очень энергозатратный электродуговой метод, когда азот и кислород вынуждают вступать в реакцию прямо в воздухе; но к 30-м годам этот метод заменили гораздо более эффективным процессом Габера – Боша. В реакции Габера – Боша азот из воздуха соединяется с газообразным водородом, и в результате получается аммиак:

N2+3H2 → 2NH3.

Для этой реакции не нужен электрический ток, но Norsk Hydro использовала электроэнергию для получения необходимого газообразного водорода путем электролиза воды[143].

Вскоре стало понятно, что этот процесс обогащает D2O и HDO воду, не превращенную в газы: поскольку Н легче D, реакция, производящая Н2, будет проходить быстрее, чем та, в результате которой получается D2[144]. В числе осознавших это был и Лейф Тронстад, молодой профессор неорганической химии из Норвежского технологического института в Тронхейме. Представьте себе, как имеющие меньший размер ионы Н+ быстро несутся к отрицательно заряженному катоду, где смогут поймать электрон и образовать газообразный водород, соединившись с другим шустрым ионом Н+; более крупные ионы D+ слегка отстают в этой гонке. Следовательно, атомы водорода будут удаляться из раствора быстрее, чем атомы дейтерия, и оставшаяся вода будет обогащена D2O и HDO.

Однако разница в скорости реакции все же мала, поэтому школьный эксперимент с водой, аккумулятором и одним-единственным сосудом не представлял бы для немцев почти никакой ценности. Тронстад и несколько других людей спроектировали процесс, где первичный раствор переходит во вторую ячейку для электролиза и вновь слегка обогащается – и так далее, и так далее. Этот так называемый каскадный процесс заканчивается в n-ной ячейке, в которой вы наконец получаете обогащенную тяжелую воду.

На этот процесс вы затратите огромное количество энергии. Вы не только подвергнете электролизу все молекулы Н2О, но также большое количество молекул HDO и D2O. Чтобы заниматься этим в промышленных масштабах, вам нужна огромная электростанция, а впервые заработавшая в 1911 году электростанция «Веморк» была тогда крупнейшей в мире. В электролизе используется постоянный ток (DC) – тот, что получают при помощи аккумулятора, в отличие от переменного тока (AC), который используется в бытовых электроприборах. Теоретически электроэнергию лучше транспортировать в виде постоянного тока, но в то время не все инженерные проблемы были решены, поэтому в 30–40-х годах крупному производству, занимающемуся электролизом, для работы требовалось находиться рядом с электростанцией.

Тронстад бежал в Лондон в 1941 году, и благодаря опыту службы в вооруженных силах и опыту научной работы его вскоре приняли на службу в находившееся в изгнании норвежское высшее командование. Поскольку он обладал глубокими познаниями по части производства тяжелой воды, которую в своих дневниках неизменно называл «сиропом», ему предстояло играть одну из главных ролей в различных операциях, известных под общим названием «диверсия на производстве тяжелой воды». Прежде чем покинуть службу, именно он отправил Реджинальду Джонсу первую важную телеграмму, касавшуюся тяжелой воды, а впоследствии сообщил еще некоторые крайне важные сведения, хоть и с условием, что никакая информация не будет передана Имперскому химическому тресту (ICI) – крупнейшему британскому химическому концерну, поскольку «кровь – не вода, пусть даже тяжелая»[145].