Зельдович и Харитон по-другому интерпретировали результаты, полученные группами Ферми и Жолио-Кюри, и, основываясь на своей собственной теории, трактующей условия, необходимые для возникновения цепной реакции, сделали вывод о том, что она не будет возможной в системе уран – вода. Зельдович и Харитон писали о том, что для осуществления цепной реакции «необходимо для замедления нейтронов применять тяжелый водород, или, быть может, тяжелую воду, или какое-нибудь другое вещество, обеспечивающее достаточно малое сечение захвата. <…> Другая возможность заключается в обогащении урана изотопом-235». Если содержание урана-235 в природном уране будет повышено с 0,7 до 1,3 %, то, по их расчетам, в качестве замедлителя могли бы быть использованы простая вода или водород. Как мы помним, в этом и состоит ключевое открытие, определяющее путь к высвобождению атомной энергии.
На 4-й Всесоюзной конференции по физике ядра, состоявшейся в ноябре 1939 года в Харькове, Юлий Харитон доложил о работе, выполненной совместно с Яковом Зельдовичем:
Из этих расчетов, которые на первый взгляд приводят к пессимистическим выводам, видно, однако, по какому пути можно идти для осуществления цепной реакции. Достаточно повысить в уране концентрацию изотопа-235, чтобы реакция оказалась возможной. Если, с другой стороны, в качестве замедлителя вместо водорода использовать дейтерий, то поглощения в замедлителе практически не будет, и реакция, очевидно, также будет осуществима. Оба пути кажутся сейчас довольно фантастическими, если вспомнить, что для осуществления реакции необходимы тонны урана. Однако принципиально возможность использования внутриядерной энергии открыта.
Игорь Тамм, комментируя работу Зельдовича и Харитона, заявил: «Знаете ли вы, что означает это новое открытие? Оно означает, что может быть создана бомба, которая разрушит город в радиусе, возможно, десяти километров». Однако большинство советских ученых скептически относились к возможности использования атомной энергии. Абрам Иоффе в докладе, сделанном в Академии наук в декабре 1939 года, отметил, что если основываться на выводах, изложенных в статьях Зельдовича и Харитона, то представляется маловероятным использование результатов ядерной физики в практических целях. Пётр Капица в начале 1940 года по этому же поводу заметил, что для осуществления ядерных реакций потребуется больше энергии, чем они могут отдать. Было бы весьма удивительным, сказал он, если бы атомная энергетика стала реальностью.
Тем не менее исследования условий осуществления цепной реакции деления продолжались и после харьковской конференции. Чтобы убедиться в этом, достаточно взглянуть на план, который составил для своей лаборатории Игорь Курчатов:
В последнее время было открыто явление развала некоторых тяжелых ядер при захвате нейтронов. Эта реакция является новым типом ядерных превращений и представляет большой научный и, возможно, практический интерес.
В 1940 г. предполагается изучить взаимодействие нейтронов с ядрами урана и тория. Будет исследовано, происходит ли испускание вторичных нейтронов при захвате ядрами урана и тория быстрых нейтронов.
Курчатов поручил проведение одного из запланированных экспериментов Георгию Николаевичу Флёрову и Константину Антоновичу Петржаку, молодому исследователю из Радиевого института. Задача опыта состояла в наблюдении за тем, как меняется величина потока нейтронов из урановой сферы, если внутрь поместить источники нейтронов с различными спектрами энергий. Флёров и Петржак построили очень чувствительную ионизационную камеру для регистрации актов деления. Когда в начале 1940 года они приступили к опытам, то, к своему большому удивлению, обнаружили, что ионизационная камера продолжает срабатывать (то есть регистрировать деление ядра) и в том случае, когда они убрали источник нейтронов. Вскоре они пришли к заключению, что открыли спонтанное деление, происходящее без бомбардировки нейтронами. Теоретически такой процесс был предсказан Нильсом Бором и Яковом Френкелем, но теперь он получил экспериментальное подтверждение.
Игорь Курчатов предложил Флёрову и Петржаку провести ряд контрольных опытов, чтобы исключить возможность ошибки в эксперименте. Один из них был проведен под землей – в помещении станции московского метро «Динамо», чтобы показать, что деление вызывается не космическими лучами, а происходит само собой. В мае 1940 года Хлопин и Курчатов доложили об этом открытии в Академии наук, и вскоре в советских журналах появились соответствующие статьи. Курчатов, всегда придававший значение мнению иностранных физиков, послал короткое телеграфное сообщение об открытии в американский журнал «Физикал ревью», и оно было опубликовано в номере от 1 июля 1940 года. В Советском Союзе это открытие привлекло очень большое внимание. Его рассматривали как свидетельство того, что Курчатов и его сотрудники работают теперь на том же уровне, что и ученые ведущих исследовательских центров на Западе. Позднее Флёров вспоминал: «Тогда, до войны, в нас очень были сильны приоритетные страсти. Все дрались за первенство».
7 марта 1940 года Яков Зельдович и Юлий Харитон направили в «Журнал экспериментальной и теоретической физики» свою третью статью «Кинетика цепного распада урана», которая была опубликована в мае. Если в первых двух статьях они исследовали условия развития цепной реакции в системе «бесконечного размера», то теперь изучали цепную реакцию в ситуации, близкой к критической. Цепная реакция будет развиваться только в блоке критических размеров, писали они. При этом она могла бы дать огромное количество энергии и сделать возможным «некоторые применения урана». Но окончательный вывод об использовании деления ядер для получения энергии или для взрывов нельзя сделать, пока не будет понята кинетика цепной реакции. Особенно важно понять переход от «подкритического» состояния к «надкритическому», потому что этот переход может произойти очень быстро. Вычисления Зельдовича и Харитона показали, что как только система приближается к критическому состоянию, тепловое расширение урана (которое позволило бы нейтронам покинуть блок урана) и испускание запаздывающих нейтронов способны оказывать решающее влияние на переход в критическое состояние.
Такие свойства системы (прежде всего регулировка через тепловое расширение) делают экспериментальное исследование и энергетическое использование цепного распада урана безопасным. Взрывное использование цепного распада требует специальных приспособлений для весьма быстрого и глубокого перехода в сверхкритическую область и уменьшения естественной терморегулировки.
В статье также говорилось о физических процессах, которые должны оказаться определяющими при конструировании атомных реакторов. Из нее также видно, что Зельдович и Харитон размышляли о цепных реакциях на медленных и быстрых нейтронах и что они предполагали возможность использования внутриядерной энергии как для бомб, так и для получения энергии.
Достижения советских ядерных физиков наконец-то начали получать призвание в мире. Во многом это было связано не только с возросшим уровнем советской науки, но и с тем, что после начала Второй мировой войны многие ведущие западные ученые были вынуждены прервать работу, эмигрировать или прекратить публикации о своих достижениях из опасения, что они поспособствуют развитию немецкой физики, подчиненной интересам гитлеровцев. Поведение советских ученых было совсем другим. Они продолжали свободно публиковать свои работы. Не было и попыток предупредить свое правительство о возможности практического применения реакции деления ядер. В отличие от США в Советском Союзе не оказалось большой группы физиков-эмигрантов, которые забили бы тревогу о нацистской атомной бомбе. Кроме того, выражение тревоги по отношению к перспективам создания такой бомбы противоречило бы советско-германскому пакту, подписанному в августе 1939 года, и договору о дружбе, который последовал за ним в сентябре.