Часть 1. Лидер атомной промышленности. Кто он?
Часть 2. Лидеры атомной промышленности: диффузионный метод обогащение урана
Часть 3.
Как я упомянул во второй части , СССР в 1957 году на УЭХК запустил опытный участок разделения изотопов урана газовыми центрифугами, а 1962 году – первый в мире завод, обогащающий уран в газовых центрифугах.
Пока в Европе ещё запускали первые газодиффузионный заводы, СССР уже начал промышленный переход к принципиально новой технологии обогащения урана.
На первый взгляд, принцип обогащения урана газоцентрифужным методом прост, логичен и понятен:
- газ в быстро вращающейся центрифуге за счёт сил инерции (в обиходе их принято называть «центробежной силой») скапливается у стенок (на периферии) центрифуги, причём таким образом, что у стенок будут скапливаться тяжёлые молекулы, а ближе к центру — лёгкие. Однако, на практике это труднореализуемо.
Простая и понятная схема центрифужного обогащения урана.
Обогащение урана 1
Сама идея не нова, как может показаться. Сегодня пробежимся очень кратко по истории создания данной технологии.
Впервые разделять изотопы центрифугой предложили английские физики Линдеман и Астон , в 1919 году .
Астон Ф. В. ИЗОТОПЫ. ССылка на книгу в группе Вконтакте.
В 1934 году в Университете Виргинии (США) была разработана центрифуга, способная эффективно разделять изотопы.
Схема прототипа центрифуги разработанной в 1934 году в Университете Виргинии
А в 1936 году , там же, Бимс и Хейнс впервые продемонстрировали практическое разделение изотопов хлора центрифужным методом.
В 1938 году , почти одновременно в США и Германии, начаты работы над центрифужным методом разделения изотопов.
В США физиохимик и нобелевский лауреат Гарольд Юри предложил умножить разделительный эффект, возникающий из-за «центробежных сил» между осью ротора и его периферией, за счёт противоточного конвективного течения.
Гарольд Юри, мировой эксперт по разделению изотопов
Профессор Вильгельм Грот в Германии начал разработку собственной конструкции высокоскоростной газовой центрифуги для разделения изотопов урана, в которой осевое противоточное течение возбуждалось градиентом температуры между верхним и нижним торцами ротора.
Профессор Вильгельм Грот , руководитель разработки центрифуг в Германии
В США поставленные манхэттенским проектом сроки не позволили реализовать оптимизацию центрифужной технологии в сфере обогащения урана, поэтому там были вынуждены применить газодиффузионную технологию.
В Германии это направление активно развивалось вплоть до конца Второй Мировой Войны, либо до 1944 года (даты в источниках разнятся).
После капитуляции Германии началась активная охота за высококвалифицированным персоналом. Для этого был задействован научно-разведывательный десант, возглавляемым генералом А.П. Завенягиным .
В составе этого десанта было около 30 учёных, среди которых были ведущие учёные из «Лаборатории №2» : А.И.Алиханов, Л.А.Арцимович, Я.Б.Зельдович, И.К.Кикоин, Г.Н.Флеров и Ю.Б.Харитон — занимающиеся исследованиями применения атомной энергии. И.В. Курчатов сам непосредственно занимался отбором немецких учёных, участвовавших по его мнению в атомных проектах Германии.
Страны по Добыче Урана в год
Список из 35 немецких ученых, которые, по мнению И.В. Курчатова, могли быть участниками уранового проекта в Германии
Из 35 заявленных Курчатовым немецких учёных удалось найти только двоих: Арденне и Позе , так как за год до нас союзниками была начата точно такая же операция — «АЛСОС».
Манфред фон Арденне — автор способа разделения изотопов для промышленной добычи урана 235
Рудольф Хайнц Позе — один из пионеров в области ядерных исследований
Но, несмотря на подобный провал разведки СССР, немецкие физики, в обмен на продолжение работы и защиты от судебного преследования за любые действия в прошлом, выбирали единственный возможный вариант: плодотворное сотрудничество с учёными СССР (по воспоминаниям И.К. Кикоина ).
Для высококвалифицированных немецких учёных создавали целые институты.
Выдержка копии из Постановление ГОКО № 9944 ,от 30 Августа 1945 года
Например, для Арденне бала создана та самая Лаборатория «А» , а Герц возглавил Лабораторию «Г» ( по первой букве фамилии учёных) — будущий Сухумский физико-технический институт.
Главный корпус санатория «Синоп», именно там и располагась лабаратория «А»
Благодаря этому, к сотрудничеству с СССР в лабораториях «А» и «Г» соглашалось всё больше немецких специалистов.
Густав Людвиг Герц — племянник знаменитого Генриха Герца. Первооткрыватель законов соударения электрона с атомом
Уже 17 января 1946 года И.В.Курчатовым, И.К.Кикоиным, Б.Л.Ванниковым, М.Г.Первухиным и А.П.Завенягиным составлен отчёт Сталину , что по атомному проекту удалось привлечь к сотрудничеству 70 специалистов, в том числе 10 инженеров, 3 профессоров, 17 докторов, среди которых был Макс Штеенбек .
Макс Штеенбек — разработчик первой газовой центрифуги для разделения изотопов урана
«Результаты исследований группы Штеенбека послужили отправной точкой для разработки советскими специалистами и учёными современной конструкции газовой центрифуги, которая стала применяться для промышленного обогащения урана в нашей стране и позднее была заимствована URENCO и другими странами».
Штеенбек начал исследование разделения изотопов, а также практические и экспериментальные изыскания, привлекая в свою группу новых специалистов из числа военнопленных СССР.
Группа Штеенбека была усилена университетами Тбилиси и Еревана, создав тем самым мощный исследовательский ресурс. Однако, отсутствие должных квалифицированных техников-лаборантов и механиков не позволяло полностью реализовать заложенный потенциал. Тогда Штеенбек принял личное активное участие в активном поиске персонала, проведя собеседование с каждым кандидатом прямо в лагере военнопленных. Он отобрал себе пятерых специалистов, среди которых был инженер-механик Гернот Циппе и инженер-электрик Рудольф Шеффель .
Гернот Циппе 2003 год, дает интервью, рассказывая о газовой центрифуги.
Вскоре Циппе уже возглавлял отдел по разработке газовой центрифуги.
Циппе и Шеффель внесли значительный вклад в развитие идей Штеенбека, так как последнему приходилось слишком часто отвлекаться от разработки центрифуги из-за постоянных разъездов.
Тут важно понимать, что никто из учёных группы Штеенбека не занимался ранее разработкой центрифуг, и делали они это с «чистого листа». Согласно воспоминаниям Штеенбека , на идею разделять изотопы газовой центрифугой его вдохновила Центрифуга-Плотномер, делающая всего 1500 об/мин, которую предложил доктор Вильгельм Дамес .
Выдержка из книги «Штеенбек М. Путь к прозрению».
Штеенбек теоретически рассчитал производительность гипотетической центрифуги и начал первые исследования этого вопроса. Расчётная производительность показывала десятикратное превосходство над газодиффузионным и электромагнитным методами разделения изотопов, при многократно меньшем энергопотреблении.
Работоспособность технологии была проверена опытным путём:
создана экспериментальная модель высотой 1200 мм и диаметром 43 мм, из латунной фольги толщиной 0,1 мм. Данная центрифуга вращалась в магнитном поле, в качестве подшипника использовался стальной шарик. Центрифуга достигала скорости вращения 33 000 об/мин, после чего дальнейшему нарастанию скорости препятствовало сопротивление воздуха. Следовательно, для дальнейшего повышения частоты оборотов требовался вакуум.
Выдержка из книги: Атомный проект СССР: документы и материалы
Весь следующий 1947 год группа Штеенбека экспериментировала с технологией, и в конце года были получены результаты по устойчивому вращению ротора. Дальнейшие усовершенствования позволили создать центрифугу с ротором диаметром 50 мм из тонкостенного дюралюминия специальной обработки, выдерживающего вращение до 150 000 об/мин.
По данным ЦРУ, ротор центрифуги состоял из фольги 0.2 мм толщиной.
В начале 1948 года начаты первые эксперименты по разделению изотопов урана. Решив ряд сложностей этого процесса, летом 1948 года группой Штеенбека продемонстрировало устойчивое разделение изотопов урана центрифужным методом.
После внесения кардинальных изменений в конструкцию центрифуги доктором Эберхардом Штойделем , предложившим точечную спиральную опору (вместо двух подшипников) и электромагнитную поддержку ротора, удалось увеличить производительность центрифуги. Однако, подобная сложность в модернизации растянулась на девять месяцев, что негативно сказывалась на самом проекте.
В итоге, работы над центрифугой затянулись до такой степени, что в начале 1949 года Штеенбек сообщил о скором закрытии проекта, если не будут получены вразумительные результаты, и поручил Циппе разработать более консервативную альтернативную конструкцию.
Циппе провёл ряд упрощений, заменив спираль на иглу из рояльной проволоки и переконструировав систему распределения газов.
В конце марта 1949 года оба варианта центрифуги ( Штойделя и Циппе ) показали результаты обогащения урана до 5,8%.
Источник: dzen.ru
История уранового производства.
Официально считают и выдают за исторический факт: урано-поисковая геология в СССР возникла в октябре 1945. Еще в Царской России вели поиск урана. Тогда еще мало знали о физико-химических свойствах элемента, геологических особенностях урановых руд. В 1896 году французский химик Анри Беккерель обнаружил излучение урана.
Начали исследовать свойства, затем успешно применили в медицине радий. Этот элемент возник в результате радиоактивного распада урана. Экономические показатели имеют прямое отношение к физике. Обнаружили в очень небольшом количестве урановые руды. Очень трудоемким и дорогим оказался процесс отделения очень перспективного металла.
В одной тонне урановой руды оказался чрезвычайно малый процент радия: 0,34 грамма. Стоимость одного грамма радия в 1916 достигала 175 000. Цена фантастическая! Вот уже пятьдесят лет продолжается «радиевый бум». Поиск ураносодержащих руд приобрел азартно-болезненную окраску. Интенсивные поиски увенчались редкими успехами.
Геологам удалось обнаружить уранорудные вкрапления в Рудных горах Европы. Залежи урановых руд обнаружили в США — в штатах Колорадо и Юта. Обладателями урана стали бельгийцы: обнаружили залежи урана в расположенной в Африке своей колонии Конго. Довольно продолжительная радиево-урановая экспедиция в России не обнаружила крупных скоплений руд для промышленной их разработки.
В 30-х годах увеличилась ценность радия-урана. Ученые-физики обнаружили удивительную способность металла: деление его ядра выбрасывает наружу невероятно огромные массы энергии. Нацеленные на разрушения и уничтожение – военные тактики и стратеги чрезвычайно заинтересовались возможностями металла. Они подключили к «проблеме» политиков.
К началу второй мировой войны во всем мире сумели добыть и складировать примерно 1000 граммов радия – в переводе на уран это составляет 4000 тонн. США досталось 338 грамм. Американцы добывали уран у себя «дома» и получали из Конго. Американцы направили свою передовую научно-исследовательскую и промышленную технологию для изобретения и производства атомного оружия. Они имели достаточно сырьевых ресурсов и очищенных количеств металлического урана.
Перед войной в СССР имели примерно 15 граммов радия. Добыча урана проводили на пяти шахтах в Ферганской долине.
Использование американской армией первых двух атомных бомб в момент изменило советские приоритеты. Руководство Советского Союза решило: в короткие сроки – любой ценой создать атомное оружие!
Для поиска урановых залежей и последующей разработки ураново-содержащих руд создали Первое главное геологическое управление (ПГГУ). Система территориальных экспедиций занялась поиском урана по всей стране. Главные базы созданы в десяти больших городах: Новосибирске, Красноярске, Киеве, Ленинграде, Иркутске, Свердловске, Алма-Ате, Ленинабаде, Фрунзе, Ессентуках. Геологические экспедиции и партии не имели техники.
Нет обученных кадров на местах. Поисковики доведенные планы выполняли на голом и грубом энтузиазме. В новой во всех отношениях работе случались просчеты. Нацеленные на успех, технические безграмотные, часто не умные партийные активисты любые оплошности, ошибки, да и непонятные явления расценивали не иначе, как предательство с антисоветской деятельностью.
Это даже не анекдот – реальное происшествие. К министру геологии СССР И.И. Малышеву явилась на прием Шестакова. Представилась, да и документы подтверждали –она собственный корреспондент «Правды» по Красноярскому краю. В резкой и грубой форме «информировала» министра о фактах вредительства со стороны «старых» геологов. Те служат нашим врагам, даже являются агентами английской и американской
разведок. Геологи уже обнаружили, разведали, но умышленно скрывают сведений об урановых месторождениях. Министр лично хорошо знал этих геологов — великолепные специалисты, честные людей, добросовестные и преданные делу. Министру очень не понравились ее клеветы и давления – корреспондентку он попросил выйти из кабинета.
Шестакова со своими документами отправилась министерство госбезопасности. Принял ее сам Берии. Настойчивая дамочка рассказала о своих подозрениях и об отсутствии бдительности у министра Малышева.
За многолетнюю работу в руководстве «органов» — Берия привык ко всякого рода «происшествиям». «Стук» корреспондентки он посчитал государственно важными —
доложил Сталину. На заседание политбюро вызвали министра геологии Малышева и начальника ПГГУ Горюнова. Политбюро не вникали в суть — решили снять Малышева и Горюнова с занимаемых должностей. Создана специальная комиссия во главе с В.М. Молотовым для расследования ситуации в Мингео СССР. В конце заседания Сталин бросил реплику:
«Считаю МалышОва ы Горунова лудьми чэстнымы. Нэдальновыднымы оказалысь. Забылы об обострэныи классовЫй борбы».
Эта реплика спасла их от серьезных репрессий. Малышев понижен в должности. Ему поручили руководить Северо-Западным геологическим управлением. Горюнов вернулся в Уральское геологическое управление.
На том заседании политбюро упоминали имя и «действия» академика Григорьева. Его фамилию Сталин не назвал в своей реплике. Академика в марте 1949 арестовали — обвинили во вредительстве и антисоветской пропаганде. Умер он скоропостижно в тюрьме от сердечного приступа. После смерти Сталина — полностью реабилитирован за отсутствием состава преступления.
Геологи и производственники ПГГУ выработали потребное количество радиоактивного сырья – на этой основе создан первый советский ядерный заряд РДС-1 мощностью 20 килотонн. Взорван 29 августа 1949 года на Семипалатинском полигоне. С того момента США потеряли монополии на ядерное оружие. В 1949-54 планировали изготовить 153 советских ядерных заряда.
США накопили атомных боеприпасов в несколько раз больше. Советские руководители выдвинули лозунг с конкретным смыслом действия: «догнать и перегнать».
Источник: newsland.com
Первый уран
В первые годы создания отечественной атомной промышленности 2 организации – Государственный институт редких металлов (Гиредмет) и Институт специальных металлов (НИИ-9, ВНИИНМ им. академика А.А. Бочвара) стали пионерами в разработке технологических процессов получения металлического урана, которые реализовывались на заводе № 12 в г. Электростали.
В 1943 году Гиредмету было поручено возобновить деятельность ураново-радиевой лаборатории с включением ее исследований в план первоочередных работ. В задачу входило: усовершенствование технологии получения урана из руд, получение тетрафторида урана, получение металлического урана.
Разработчиками первой опытной технологии получения металлического урана, кроме научного руководителя – заместителя директора Гиредмета по научной работе Н.П. Сажина, были З.В. Ершова, Г.Е. Каплан, проф. Г.М. Комовский, проф. Ю.А.
Черников и др.
Объем урановых работ Гиредмета стремительно увеличивался и по инициативе З.В. Ершовой, изложенной в ее докладной записке А.П. Завенягину, было принято решение о создании Института специальных металлов и назначении В.Б. Шевченко его директором.
В 1945 году в Инспецмет была передана тематика Гиредмета по работам с ураном. Основной проблемой, поставленной перед институтом в первые годы, была урановая: изучение месторождений урана, разработка методов обогащения урановых руд, технологии переработки различных урановых руд и извлечение урана в виде окиси-закиси, разработка металлургического процесса получения металлического урана восстановлением его из тетрафторида, а также аналитическое обеспечение этих процессов.
Для решения этих задач правительственным постановлением в НИИ-9 были привлечены академики И.И. Черняев, А.А. Бочвар, профессоры А.Н. Вольский, А.С. Займовский и другие высококвалифицированные специалисты.
Решением правительства СССР для выполнения работ по получению и исследованию урана и плутония в НИИ-9 был создан специальный отдел – отдел «В», который в 1946 году возглавил ученый–металловед с мировым именем А.А. Бочвар. А.А. Бочвар являлся научным руководителем урановой проблемы в целом с момента ее возникновения и оставался им до конца своей жизни.
Руководство отдельными направлениями и этапами исследований в разные годы осуществляли член-корреспондент АН СССР А.С. Займовский, член-корреспондент АН СССР С.Т. Конобеевский, академик АН РФ Ф.Г. Решетников, доктора наук В.К. Орлов, В.В. Титова, Н.Т. Чеботарев, Я.Д.
Пахомов, И.В. Шаталов, А.Д. Никулин, М.И. Фадеев, С.И. Бирюков, Ю.А. Метелкин, кандидаты наук В.А. Федорченко, Э.Н.
Шингарев, М.В. Волгин, В.В. Агапов, А.М. Чекушин.
Для получения металлического урана на Заводе № 12 (г. Электросталь) началось создание опытного производства, работы по которому проводились под научным руководством сотрудников Гиредмета и НИИ-9. Для проектирования производства урана на заводе № 12 ПГУ была выделена специальная бригада Гипроредмета, руководимая М.Д. Берщицким. Для консультации была направлена группа немецких специалистов и ученых во главе с доктором Н. Рилем.
В течение сентября-октября 1945 года было проведено проектирование опытного производства, в основу которого была принята технология восстановления окислов урана кальцием с получением металлического урана в виде порошка (порошковый метод).
Опытный завод, предназначенный для освоения технологии производства урановых блоков из технических солей урана, по первоначальному проекту должен был иметь три предела:
- получение чистых окислов урана из солей;
- получение порошкообразного урана;
- получение урановых блоков.
Опытное производство на всех переделах было укомплектовано, в основном, оборудованием, вывезенным из Германии.
В качестве исходного сырья для рафинировочных плавок использовался трофейный черновой порошкообразный уран. В конце октября 1945 года были получены первые образцы блоков урана. В ноябре 1945 года был введен в эксплуатацию цех рафинирования чернового урана в атмосфере аргона или в вакууме с последующей механической обработкой блоков. Цех был оборудован аргоновыми и вакуумными печами сопротивления для рафинирования чернового урана и токарными станками для механической обработки блоков.
В декабре 1945 года на опытном заводе введен в эксплуатацию цех получения порошкообразного чернового урана. В качестве сырья использовалась трофейная, сильно загрязненная закись-окись урана. С января 1946 года цех начал выпускать порошкообразный черновой уран для рафинирования и отливки в блоки.
В это же время на опытном заводе пущен цех химической очистки концентрата с получением закиси-окиси урана. В качестве сырья были использованы трофейные концентраты (аммонийная соль и загрязненная закись-окись урана).
В феврале 1946 года была получена первая партия чистой закись-окиси урана.
Наряду с урановой технологией производства велась работа по освоению методик анализа сырья, полуфабрикатов и готового урана. Необходимо было освоить методы определения в анализируемых продуктах тысячных долей процента примесей. Методики разрабатывались ГЕОХИ АН СССР под руководством академика А.П. Виноградова и ИОНХ АН СССР под руководством академика А.Н. Тананаева.
Сотрудники НИИ-9 под руководством профессора А.Н. Вольского постоянно совершенствовали технологию получения металлического урана. В 1946 году была внедрена технология кальций-термического восстановления урана из тетрафторида урана.
Так был закончен первый этап получения отечественного урана, заключающийся в организации опытного производства металлического урана в виде заготовок диаметром 35 мм и длиной 150 мм с использованием немецких урановых порошков, концентратов урана и металлического кальция.
Однако созданное опытное производство не могло обеспечить все существовавшие в 1946-1947 гг. потребности строящихся объектов в урановых изделиях. Только для строящегося в ЛИПАНе физического реактора и первой загрузки промышленного уран-графитового реактора, который строился в Челябниске-40, требовалось 200 т урановых изделий.
Так к концу 1946 года вырисовались задачи разработки промышленного производства металлического урана-235. Предполагалось, что сырье для этого будет различаться как по химическому составу, так и по содержанию примесей.
Весь комплекс новых задач по получению металлического урана-235 на Заводе № 12 стал называться Вторым производством.
Источник: www.biblioatom.ru