На заре создания ядерных вооружений одной из основных ключевых проблем стало разделение изотопов урана. Этот тяжелый радиоактивный металл встречается в природе в виде смеси двух основных изотопов. Основную долю (чуть меньше 99,3%) составляет уран-238. Содержание более легкого изотопа — урана-235 — составляет всего 0,7%, но именно он необходим для создания ядерного оружия и работы реакторов.
Разделить изотопы совсем не просто. Их химические свойства идентичны (в конце концов, это один и тот же химический элемент), а разница в атомной массе составляет чуть более 1%, так что физические методы для разделения должны иметь очень высокую избирательность. Этот вопрос в 1950-х стал одним из решающих моментов, которые определили успех советской ядерной отрасли и заложили основу для современной конкурентоспособности российской ядерной промышленности на мировом рынке.
Сквозь сито
Самым простым методом разделения является газовая диффузия — «продавливание» газообразного сырья (гексафторид урана) сквозь мелкопористую мембрану, при этом различные изотопы диффундируют сквозь поры с различной скоростью. Именно газовая диффузия стала первым методом, который использовался для получения промышленных количеств урана-235 на первых обогатительных комбинатах. В США разработки в области газовой диффузии для Манхэттенского проекта велись под началом лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри. В СССР до 1954 года этим направлением руководил академик Борис Константинов, потом его сменил Исаак Кикоин.
Поначалу, как это нередко бывает, метод газовой диффузии казался доступнее в реализации. Но он требовал огромных затрат электроэнергии — Саяно-Шушенская ГЭС и первая очередь Белоярской атомной, как теперь выясняется, строились прежде всего для этих целей. Кроме общей дороговизны и низкого КПД, метод газовой диффузии был небезопасен для работающих — главным образом из-за высоких температур и шума в цехах. Плюс большие объемы химически активных смесей под давлением, а это потенциальные выбросы и загрязнение окружающей среды. Между тем альтернатива газодиффузионному методу была известна с конца XIX века — это центрифужный метод, сулящий весьма значительную экономию: когда в 1958 году завод в Верх-Нейвинске вышел на расчетный режим, оказалось, что энергопотребление на единицу разделения в 20 (!) раз меньше диффузионного метода, а себестоимость — вдвое меньше. Правда, на пути создания центрифуг конструкторов поджидали многочисленные технологические сложности.
Электромагнитное разделение. Основано на движении заряженных частиц (ионов) в магнитном поле. В зависимости от массы частиц кривизна их траектории при этом различна, и даже небольшая разница в атомной массе ядер изотопов урана дает возможность их разделения. Такие установки, называемые калютронами, использовались в американском Манхэттенском проекте, поскольку позволяли получить очень высокую степень обогащения урана за считанные проходы. Однако калютроны очень громоздки, дороги в обслуживании, потребляют много энергии и имеют низкую производительность, так что сейчас для промышленного обогащения урана не используются.
Немецкие корни
Истоки советской технологии центрифуг берут свое начало в нацистской Германии, где в рамках атомного проекта велись эксперименты по разделению урана. Один из участников этого проекта, инженер-физик Геронт Циппе, оказался среди других немецких военнопленных, отправленных в СССР. Под началом Макса Штеенбека, своего соотечественника и тестя, Циппе до 1954 года занимался экспериментальными исследованиями — сначала в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физико-технический институт), а последние два года — в особом конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде.
Как свидетельствуют участники и очевидцы тех событий, немецкие ученые не знали отказа в материалах для исследований. И режим у них был почти такой же, как у наших секретных атомщиков, которых столь же плотно опекало ведомство Берии. В июле 1952 года специальным постановлением правительства Штеенбека и его помощников перевели из Сухумского института в Ленинград, в ОКБ Кировского завода. Да еще усилили группу выпускниками политехнического института с профильной кафедры ядерных исследований. Была поставлена задача изготовить и испытать два агрегата по схеме Циппе-Штеенбека. За дело взялись горячо, однако уже в первом квартале 1953-го работу прекратили, не доводя до испытаний: стало ясно, что предложенная конструкция не годится для серийного производства.
Газовая диффузия. Использует разницу в скоростях движения молекул газа, содержащего различные изотопы урана (гексафторид урана). Различная масса обуславливает различную скорость молекул, так что легкие проходят мембрану с тонкими порами (по диаметру сравнимыми с размерами молекул) быстрее тяжелых. Метод прост в реализации и использовался на заре атомной отрасли в СССР, в США используется до настоящего времени. Степень обогащения каждой ступени очень мала, так что необходимы тысячи ступеней. Это приводит к огромному потреблению энергии и высокой стоимости разделения.
Центрифуга Циппе была не первой советской машиной подобного назначения. Еще во время войны в Уфе другой немец, Фриц Ланге, бежавший из Германии в 1936 году, изготовил громоздкий аппарат на подшипнике. Однако специалисты, знакомые с перипетиями атомного проекта в СССР и США, отмечают одно безусловное достижение группы Штеенбека — оригинальную конструкцию опорного узла: ротор опирался на стальную иглу, а эта игла — на подпятник из сверхтвердого сплава в масляной ванне. И вся эта хитроумная конструкция удерживалась специальной магнитной подвеской в верхней части ротора. Его раскрутка до рабочей скорости также производилась посредством магнитного поля.
Советский конкурент
В то время как проект группы Штеенбека потерпел фиаско, в феврале того же 1953 года была выведена на рабочие обороты газовая центрифуга с жестким ротором конструкции советского инженера Виктора Сергеева. За год до этого Сергеев с группой специалистов из особого КБ Кировского завода, где он тогда работал, был командирован в Сухуми для ознакомления с экспериментами Штеенбека и его команды. «Именно тогда он задал Штеенбеку технический вопрос о расположении отборников газа в виде трубок Пито, — приоткрыл важные подробности ветеран центрифужного производства ПО «Точмаш» Олег Чернов, хорошо знавший Сергеева и работавший вместе с ним. — Вопрос был сугубо техническим и содержал, по сути, подсказку, как сделать конструкцию центрифуги работоспособной». Но доктор Штеенбек проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила…»
Газовое центрифугирование с помощью быстро вращающегося ротора закручивает поток газа таким образом, что молекулы, содержащие более тяжелые изотопы урана, центробежная сила отбрасывает к внешним краям, а более легкие — ближе к оси цилиндра. Центрифуги объединяют в каскады, подавая с выхода каждой ступени частично обогащенный материал на вход следующей ступени — так удается получать уран даже очень высокой степени обогащения. Центрифуги просты в обслуживании, надежны и характеризуются умеренным энергопотреблением. Метод используется в России и странах Европы.
По словам Олега Чернова, Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги в 13 странах. Первые лица в советском атомном ведомстве, узнав о таком интеллектуальном коварстве, шум поднимать не стали — если следовать официальной версии, «чтобы не вызывать подозрений и повышенного интереса к этой теме у военно-технической разведки США». Пусть, мол, думают, что Советы довольствуются неэкономичным, как и у них, газодиффузионным методом… В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, следует отдать должное, «Русской центрифугой». Однако увлечь американцев он не сумел. В отношении новой машины, как в свое время и по конструкции Штеенбека, был вынесен вердикт: для промышленного использования непригодна.
Степень обогащения одной газовой центрифуги невелика, поэтому их объединяют в последовательные каскады, в которых обогащенное сырье с выхода каждой центрифуги подается на вход следующей, а обедненное — на вход одной из предыдущих. При достаточном количестве центрифуг в каскаде можно получить очень высокую степень обогащения.
Правда, четверть века спустя в США все-таки решили перейти с газовой диффузии на центрифуги. Первая попытка не удалась — в 1985 году, когда были установлены первые 1300 машин, разработанные в Оук-Риджской национальной лаборатории, правительство США закрыло программу. В 1999 году на расконсервированной площадке в Пайктоне (штат Огайо) вновь начались работы по установке американских центрифуг нового поколения (в 10−15 раз больше российских по высоте и в два-три раза по диаметру) с ротором из углеродных волокон. По плану смонтировать 96 каскадов по 120 «волчков» предполагалось еще в 2005 году, но и к концу 2012 года проект все еще не запущен в коммерческую эксплуатацию.
Лазерное разделение изотопов урана основано на том, что молекулы, содержащие различные изотопы, имеют немного различные энергии возбуждения. Облучив смесь изотопов лазерным лучом строго определенной длины волны, можно ионизовать только молекулы с нужным изотопом, после чего разделить изотопы с помощью магнитного поля. Существует несколько разновидностей этого метода — воздействующие на атомный пар AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (французский аналог AVLIS), и на молекулы — MLIS (Molecular Laser IsotopeSeparation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) и SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation). В настоящее время корпорация General Electric пытается коммерциализировать технологию SILEX, разработанную специалистами из ЮАР и Австралии. Лазерная сепарация имеет низкое энергопотребление, низкую стоимость и высокую степень обогащения (поэтому она используется сейчас для получения малых количеств сверхчистых изотопов), однако пока существуют проблемы с производительностью, со сроком службы лазеров и отбором обогащенного материала без остановки процесса.
Секретные иголки
А тем временем в СССР, в малоприметном местечке Верх-Нейвинск на Среднем Урале, в обстановке строжайшей секретности монтировалась первая опытная линия разделительных газовых центрифуг. Исаак Кикоин еще в 1942 году сталкивался с газовой центрифугой конструкции Ланге и даже испытывал ее в своей лаборатории в Свердловске. Тогда эксперименты желаемых результатов не дали, и академик скептически относился к самой возможности создания промышленных газовых центрифуг. Главной бедой самых первых установок была их недолговечность. И хотя вращались они поначалу со скоростью «всего» 10000 оборотов в минуту, совладать с огромной кинетической энергией ротора было далеко не просто.
— Машины-то ваши разрушаются! — язвительно упрекнул разработчиков на одном из совещаний в Минсредмаше начальник главка Александр Зверев, имевший звание генерала НКВД.
— А вы что хотели? Чтобы они еще и размножались?! — дерзко парировал руководивший в то время проектом заместитель главного конструктора Анатолий Сафронов.
При центрифужном методе разделения за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. За счет этого более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 «сбиваются» на периферии вращающегося цилиндра, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 концентрируются возле оси ротора. Через раздельные выводные трубопроводы (типа трубок Пито, о которых говорил советский инженер Сергеев немцу Штеенбеку) газ, содержащий изотопы U-238, выводится «в отвал», а обогащенная фракция с возросшим содержанием урана-235 перетекает в следующую центрифугу. Каскад таких центрифуг, содержащий сотни и тысячи машин, позволяет быстро увеличивать содержание легкого изотопа. Условно говоря, их можно назвать сепараторами, на которых превращенное в газ урановое сырье (гексафторид урана, UF6) с низким содержанием изотопа U-235 последовательно переводят из консистенции парного молока в сливки и сметану. А при необходимости могут и «масло» сбить — довести обогащение до 45%, а то и 60%, чтобы использовать в качестве топлива в реакторах подводных лодок и на исследовательских установках. А еще недавно, когда это требовалось в большом количестве, крутили центрифуги до тех пор, пока не получали на выходе дорогущий «сыр» — оружейный уран с обогащением более 90%. Но к концу 1980-х на четырех советских комбинатах «насепарировали» столько оружейного урана, что его запасы на складах и в готовых ядерных зарядах были признаны избыточными, и производство высокообогащенного урана для военных целей было прекращено.
По первоначальным расчетам, толщина наружных стенок корпуса центрифуги должна была быть 70 мм — как танковая броня. Попробуй такую махину раскрути… Но методом проб и ошибок нашли-таки компромиссное решение. Был создан специальный сплав — прочнее и легче стали. Корпуса современных центрифуг, которые одному из авторов довелось увидеть и подержать в руках на ПО «Точмаш» во Владимире, никаких ассоциаций с танковой броней не вызывают: обычные с виду пустотелые цилиндры с отшлифованной до блеска внутренней поверхностью. Издали их можно принять за обрезки труб с соединительными фланцами на концах. Длина — не больше метра, в диаметре — сантиметров двадцать. А на Уральском электрохимическом комбинате из них собраны гигантские каскады длиною в сотни метров. Знаки на стенах и специальная разметка на окрашенном бетонном полу в технологических проходах указывают, что здесь принято перемещаться на велосипеде. Правда, не быстрее 5−10 км/ч.
А внутри гудящих едва слышно центрифуг совсем другие скорости — ротор на игле с корундовым подпятником, «подвешенный» в магнитном поле, делает 1500 оборотов в секунду! В сравнении с первым изделием ВТ-3Ф 1960 года выпуска его разогнали почти в десять раз, а срок безостановочной работы увеличили с трех лет до 30. Наверное, трудно найти другой пример, когда бы техника демонстрировала такую надежность при столь экстремальных параметрах. Как рассказал заместитель начальника центрифужного производства Валерий Лемперт, на комбинате в Новоуральске еще работают машины, которые «Точмаш» поставил туда 30 лет назад: «Это было, наверное, третье поколение центрифуг, а сейчас серийно производится восьмое и запускается в опытное производство девятое».
«В конструкции нашей центрифуги ничего сверхсложного нет. Все дело в отработке технологии до мельчайших деталей и строгом контроле качества, — объясняет Татьяна Сорокина, которая десятки лет «вела» на заводе технологию изготовления опорной иглы для ротора. — Такие иглы делают из обычной рояльной проволоки, из которой тянут струны. А вот способ закалки наконечника — это наше ноу-хау».
Свое объяснение секретам российской центрифуги дал на склоне лет и один из главных ее создателей — Виктор Сергеев. По свидетельству инженера Олега Чернова, на вопрос спецслужб, а что же нужно охранять в этом изделии и в чем его главный секрет, конструктор ответил лаконично: «Люди».
