Чтобы оценить трудности сложившейся ситуации, понять роль и значение производства ДМ в успехе всего проекта, необходимо, хотя бы в общих чертах, коснуться его предыстории.
Вся ядерно-оружейная история на Земле имеет истоком напряженную работу физиков, прежде всего европейских, пытавшихся различными способами осуществить воздействие на ядра элементов для изучения так называемых ядерных превращений. Возможно, существуют какие-то аналогии между этими работами и поисками пресловутого «философского камня», которые велись с древнейших времени имели целью получение золота из самых разных веществ.
В январе 1939 года были опубликованы результаты открытия немецких физиков О. Гана и Ф. Штрассмана. Они обнаружили, что при бомбардировке нейтронами атомного ядра урана получается изотоп бария, то есть элемента с атомным весом примерно в два раза меньшим, чем имеет уран. Через несколько дней после выхода журнала с упомянутой работой эмигранты из Германии О. Фриш и Л. Мейтнер, сотрудники лаборатории Нильса Бора (Дания), сообщили своему шефу о гипотезе, которая возникла у них при знакомстве со статьей Гана и Штрассмана. Фриш и Мейтнер предположили, что поглощение нейтрона ядром урана при каких-то, пока неизвестных, условиях вызывает расщепление этого ядра на две приблизительно равные части и что такое расщепление (распад ядра) должно сопровождаться высвобождением колоссальной энергии. Этот процесс вскоре стал называться делением ядра, а химические элементы, ядра которых были способны делиться, — делящимися материалами.
Именно наличие ДМ, причем в очень большом количестве, определяло возможность изготовления оружия небывалой поражающей силы. Однако природа как будто специально заранее позаботилась о том, чтобы делящиеся материалы доставались человеку лишь при овладении им высочайших технологических вершин и в результате поистине титанических трудов.
Первым элементом, который стал использоваться для получения цепных реакций, был уран. Урановые руды обычно содержат 0,1–1 процент (но не больше двух процентов) природного урана, который состоит из трех изотопов: урана-238 (99,3 процента), урана-235 (0,72 процента) и урана-234 (0,006 процента). Для использования в военных целях наиболее подходящим оказался уран-235.
В процессе изучения ядерных реакций выяснилось, что радиационный захват нейтронов ураном-238 (которого в природе имелось больше всего) должен приводить, после двух превращений, к образованию нового элемента с атомным номером 94 и массовым числом 239. Выводы теоретиков подсказывали, что этот элемент должен быть довольно устойчив, что он обладает свойствами испускать альфа-частицы и делиться при бомбардировке тепловыми (медленными) нейтронами. Позднее стали высказываться соображения о пользе этого деления для поддержания цепной реакции.
Новый элемент назвали плутонием, но иногда именовали еще просто «элементом 94». Уже летом 1940 года американский физик Э. Лоуренс составил записку для Комитета Национальной академии наук США (этот Комитет курировал атомный проект). В записке указывалось: «Если бы элемент 94 имелся в больших количествах, вполне вероятно, что могла бы быть осуществлена цепная реакция с помощью быстрых нейтронов. В такой реакции энергия освобождалась бы со скоростью взрыва, и соответствующая система могла бы быть охарактеризована термином “сверхбомба”».
Все эти идеи в 1945 году уже были ясны и советским физикам, до лета 1941 года занимавшим достойное место в соревновании мировых научных школ. В СССР еще в тридцатых годах проводились физические конференции, в работе которых участвовали и ученые других стран. В разных городах открывались новые исследовательские институты, и в них начинали успешно выполняться интересные эксперименты. Так, в 1937 году в Радиевом институте АН СССР был запущен первый в Европе циклотрон, в Харьковском физико-техническом институте год спустя заработал большой электростатический генератор, а в 1940 году Г. Н. Флеров и К. А. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана. В том же году Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон выполнили расчетно-теоретическое обоснование принципиальной возможности осуществления цепной реакции деления ядер урана-235 при его незначительном обогащении с высвобождением колоссальной энергии.
Таким было положение дел до войны, которая очень сильно подорвала базу исследований, лишила ученых возможности нормально работать, но не остановила научный поиск в СССР. Преданность делу науки и осознание ответственности перед своей страной помогали советским специалистам и в тяжелые военные годы продолжать исследования в области ядерной физики. Более того, многие из них постоянно обращались к руководству страны с указаниями на всестороннюю, в том числе и оборонную, важность этих исследований, а следовательно, на необходимость их масштабного развертывания.