Разделяй и властвуй

07 марта 2018

Разделяй и властвуй — это принцип управления всех царьков со времён Римской империи до современных государств, которые мнят себя вершителями судеб мира.

В приложении к ядерной технике это означает совсем другое — разделение изотопов и использование каждого из них с тем преимуществом по массе, по ядерным свойствам,которое им даёт именно такое содержание нейтронов. Наиболее ярким примером является разделение изотопов урана.

«Разделение и применение изотопов» — так называлась моя специальность, по которой я обучался на ФТФ ТПУ в Томске.

Правда, обучение началось только на третьем курсе, когда мы, наконец, получили допуск к закрытым сведениям.

Термин «разделение изотопов», возможно, не очень точный потому, что тогда фраза «разделение делящихся материалов» получается двусмысленной. На Западе применяют другой термин — «сепарация изотопов». Другое название этого процесса и у нас, и на Западе — «обогащение», взятое из технологии рудной переработки.

Чего не может химия

Как же отделить один изотоп от других изотопов того же элемента, когда «крючки», за которые можно зацепить атомы — валентные и ковалентные электроны, у всех изотопов одного элемента одинаковые. Химия этого сделать не может, может физика. Оказывается, что у изотопов элементов больше различий, чем сходства, на этих различиях их и можно «поймать».

Для примера можно использовать материалы краткого описания истории Манхэттенского проекта, изложенные Департаментом энергетики США.

Генерал Гровс, руководитель Проекта, когда пришло время переходить к промышленному производству, собрал учёных на совещание, на котором рассматривались все предложенные способы обогащения урана изотопом 235.

Гонки с барьерами

Молекулы смесей газов быстро выравнивают свою энергию (кинетическую) после серии соударений. При этом, две молекулы с равной энергией могут иметь разную скорость движения, если они имеют разную массу, лёгкие будут двигаться быстрее. Если на их пути поставить барьеры, то преодолевать их будут легче быстрые молекулы. Инженерам надо было только подумать, что может служить в качестве таких барьеров, а потом заставить смесь изотопов проходить их тысячи раз. Для молекул газовых смесей подходят узкие отверстия и тонкие капилляры, которые молекулы преодолевают в «индивидуальном» порядке.

Говорят, для первого завода в США такие барьеры были проблемой, бригады женщин прокалывали отверстия в фольге. Единственным газообразным соединением урана, пригодным для разделения изотопов, может быть только гексафторид урана. В Проекте диффузионную технологию развивали британские исследователи с коллегами из Колумбийского университета.

На совещании у Гровса этот способ, несмотря на свою высокую стоимость, был выбран как основной. Действительно, завод в Окридже, который вскоре был построен, был самым большим сооружением в мире длиной около 1 км. А таких заводов было построено три, ещё в Падуке и Портсмуте. Именно большие размеры цеха породили у американцев мнение, что ещё 30 лет никакая другая страна не сможет воспроизвести эту технологию, а когда сможет, то это будет обнаружено со спутника. Следует сказать, что диффузионная технология для США всегда оставалась основной, даже сегодня, когда другие страны стали переходить на более дешёвый и эффективный метод с использованием центрифуг.

Центрифуга — сепаратор изотопов

Центрифуга как сепаратор веществ по их удельной массе известна давно. Центробежная сила в цилиндре, вращающемся вокруг вертикальной оси, разделяет газообразную смесь двух изотопов. Более легкий изотоп может быть взят в центре цилиндра и направлен в следующую центрифугу, тяжёлый изотоп будет скапливаться на периферии и может быть направлен на предыдущую центрифугу. Каскадная система, составленная из сотен и тысяч центрифуг, может производить богатую смесь по лёгкому изотопу.

Этот способ разрабатывали в университете в Вирджинии, но на совещании у Гровса он был отложен из-за того, что не были решены многие вопросы по балансировке центрифуги и устойчивости в работе. Многие ученые первоначально возлагали тогда надежды на этот быстродействующий способ, но проблемы стабильной работы центрифуг в США так и не были решены. Чисто американская центрифуга так и не появилась, и разделение и обогащение урана производилось в основном диффузионным способом.

Впервые в промышленном масштабе центрифуга для разделения изотопов заработала в России в шестидесятых годах2. Я в эти годы заканчивал Томский физтех по данной специальности, она была очень закрытой. Наши тетради с конспектами хранились под замком. Для США новая технология обогащения урана в СССР стала сюрпризом, они не знали о ней и ничего нового у себя не готовили. Отставание в этой области им так и не удалось ликвидировать.

Выпускники учебных групп ТПУ всем составом распределялись на СХК, где тоже произошло обновление производства. Сегодня работает уже девятое поколение центрифуг с затратами по электроэнергии в 50 раз меньше, с производительностью также в десятки раз больше, чем диффузионный метод.

Позже собственные разработки и производства по разделению изотопов на центрифугах появились в других странах. Советская центрифуга была самой простой и надёжной. «Русские решили все вопросы за счёт размеров и количества» — говорили на международных курсах в Париже, имея в виду небольшой размер центрифуги. Острый интерес к её конструкции со стороны Запада не ослабевает. Машина первого поколения стоит в музее Северска, экспонат охаживают специалисты из Лос-Аламоса, побратима СХК.

Эффективная работа центрифуг вызывает опасения по нераспространению ядерных материалов. Обладание определённым количеством машин означает возможность получения оружейного урана.

На крутых поворотах

Масс-спектрометрия, уже получившая развитие в предвоенные годы, была основана на том, что заряженные частицы искривляют свою траекторию полёта в магнитном поле, и тем больше, чем меньше их масса. На этом эффекте и было предложено Нобелевским лауреатом Лоуренсом из Университета Миннесоты разделять изотопы урана на его циклотроне.

Гровс также принял эту технологию для Проекта.

Однако накапливать нужный изотоп по атомам пришлось бы тысячи лет.

Пришлось заново создавать и на ходу переделывать мощную многолучевую электромагнитную машину, которая смогла давать до 100 грамм урана с содержанием изотопа 235 до 12%.

Туда, где теплее

Институт Карнеги предложил Гровсу термодиффузионный метод разделения изотопов урана в состоянии жидкого гексафторида, который заполняет пространство между двумя концентрическими вертикальными трубами. Если наружную трубу охлаждать водой, а внутреннюю нагревать паром, то лёгкий изотоп будет диффундировать к внутренней трубе и конвективно перемещаться вверх. Генерал принял этот вариант, чтобы просто доказать, что он не будет работать.

К слову, следует сказать, что обогащать уран стали все три отобранные Гровсом технологии. Это сгладило весь тот ужас, который испытали организаторы Проекта, когда столкнулись с естественными сложностями и неполадками на стройках гигантских зданий и сооружений, которые никто никогда не строил, а также при монтаже мощных установок, которые никто никогда не проектировал. Были поломки, протечки, негерметичные швы, замыкания, коррозия. Приходилось переделывать, изменять конструкции, применять другие материалы и методы контроля и изготовления. Над этим трудились сотни инженеров и тысячи рабочих. Получение обогащённого продукта то на той, то на другой установке позволяло проводить запланированные исследования, но не позволяло сделать окончательную ставку на один из методов. Наибольшую отдачу давал калютрон Лоуренса, и в запасе оставался плутоний, который надо было наработать в реакторе и отделить затем от урана.

Стрельба в яблочко

Трудно придумать другое сравнение для разделения изотопов с помощью лазера. Дело в том, что энергия связи электрона в атоме зависит от массы ядра. Следовательно, электроны изотопов урана имеют разную энергию связи. Если точно подобрать энергию фотона для облучения смеси изотопов по формуле, которую вывел ещё Эйнштейн, и которыми следует выбивать электрон с орбиты только у одного из изотопов урана, то можно этот изотоп ионизировать и отделять электромагнитным способом. Второй вариант — таким же образом рвать связи урана с атомом фтора, облучая гексафторид. В 1996 году на курсах в Париже заявляли, что лазерное разделение паров металлического урана будет запущено во Франции после 2000 года. Однако, обе технологии, разработанные в США и во Франции, не получили промышленного применения. Не удалось сегодня запустить в США и завод на основе современной лазерной технологии
фирмы SILEX, принцип которой держится в секрете.

Разделять не уран, а воду

Реактор можно построить на природном уране без его обогащения, но для замедления нейтронов следует применять тяжёлую воду. То есть, разделять изотопы, но не урана, а воды. Делают это с помощью электролизёров, которые и создают тот барьер для прохождения изотопов и получают тяжёлую воду.

За мир, ядерный или безъядерный

Манхэттенский проект, стоивший Америке триллион долларов, дал ей ненадолго монополию на ядерное оружие и, по их мнению, на власть над миром. Когда эта монополия, к огромному изумлению американцев, была утеряна, в стране, по выражению их обозревателей, наступило уныние и определённый страх перед Советским Союзом. Роберт Оппенгеймер посоветовал Президенту Эйзенхауэру выступить с речью по радио и успокоить народ. Но Президент сделал иначе. Он провозгласил известный лозунг: «Атом во имя мира», повторив его в 1953 году в ООН.

Эйзенхауэру удалось публично огласить ту тенденцию, которая уже сложилась в данной ситуации. Ведущие страны, участвующие в создании ядерного оружия, включились в гонку развития мирного атома, они начали строить энергетические атомные станции. Первой это сделала Россия, затем Великобритания, США, Канада. Но создать США монополию ядерного миротворца не удалось, СССР «подняла планку» выше — тогда же призвала к полному запрету ядерного оружия.

Разделять неделящиеся изотопы

Лозунг в заголовке наибольшее значение приобрёл сегодня, когда разделительные мощности работают исключительно на энергетику.

Энергетическая независимость для стран — это гарантия её политической независимости и власти над природой. Сегодня добавилось ещё одно направление в промышленном разделении изотопов — получение стабильных изотопов различных элементов. Это особый вклад в общее направление технического развития — получение новых материалов, которыдают более полную власть над законами природы.

Игорь Локтев,
член президиума АИФ, д. ф.-м. н.
По материалам газеты «Вперёд» ПАО «НЗХК», г. Новосибирск, № 3, март 2017