2
10191

История разделения изотопов урана. Часть 4.

ПРОДОЛЖЕНИЕ компаса "История разделения изотопов урана для первых атомных бомб", СССР: И ЩИТ, И МЕЧ

на сайте с 17 января 2009

В сокращении текст опубликован

в электронном журнале "Исследовано в России"

ЛИХА БЕДА НАЧАЛО


Специальный  комитет при ГОКО

Берия Л.П. (председатель),  зам. председателя СНК СССР;
Ванников Б.Л., нарком боеприпасов;
Вознесенский Н.А., предс. Госплана СССР;
Завенягин А..П.., зам. наркома  внутренних дел;
Капица П.Л.,  директор Ин-та физпроблем, начальник  Главкислорода;  
Курчатов И.В., начальник "лаборатории №2";
Маленков Г.М., зам. председателя СНК СССР;
Махнев В.А. (секретарь), нарком танковой промышленности
Первухин М.Г., Нарком химической промышленности.   
    
           Реакция Сталина  на бомбардировку Хиросимы и Нагасаки была незамедлительна и проста – делать такие же бомбы и побыстрее, не считаясь с затратами. Времени нет. Спустя пол месяца, 20 августа 1945г. был сформирован Специальный комитет во главе с Л.П. Берией. Наука в Спецкомитете была представлена И.В. Курчатовым и П.Л. Капицей. При комитете были учреждены три комиссии, одну из них по тяжелой воде возглавил Капица. В структуре Спецкомитета  появилось также «Бюро № 2, объединяющее закордонную разведывательную работу по проблеме урана».    
        «Еще в Нью-Йорке, когда я разбирался с этим материалом, я сделал для себя вывод, что я сам, хоть и не лучший в мире слесарь-токарь, по этим данным ее (бомбу, ок)смонтировать смогу. При наличии соответствующих материалов, конечно ... » - так говорил разведчик Л.Р. Квасников, и далее:  «Для получения атомной бомбы кроме знания ее кон­струкции важно было, чтобы реакторы работали и нарабатывали плутоний, нужно еще диффузионный завод построить со всей «начинкой». В Центр нами были переданы синьки полного монтажа завода (по производству плутония) и его оборудования. Данные по диф­фузионному заводу давал другой человек, тоже крупный ученый. Он давал ценную информацию по устройствам, через которые шло разделение фтористого урана (UF4 и UF6  )». 
            О Квасникове  уже шла речь во второй части этого «Компаса» (см. тайная война ). Добавим, что Квасников учился в Химико-технологичесиком институт им. Д. И. Менделеева, на механическом факультете, но заканчивать ему пришлось Московский институт химического машиностроения, в который преобразовался этот факультет. С 1935 г. он аспирант МИХМ’а , тема тоже была подходящая - совершенствование производства снарядов. В 1938г. по линии  ЦК партии Квасников получает направление на работу в НКВД, а  спустя год он уже возглавляет отдел научно-технической разведки, в марте 1943г. он будет переведен на оперативную работу в Нью-Йорк. Материал по истории оружейного урана мы стали собирать к написанию очерка для Исторического вестника РХТУ им. Д.И. Менделеева, поэтому особое внимание уделяли тем, кто был связан с этим Институтом. Кроме Квасникова это В.А. Каржавин, Ж.А. Коваль и И.В. Петрянов-Соколов. Заметим,  в 1949г. здесь (ранее МХТИ) был основан физико-химический факультет, подготовивший многих молодых специалистов по разделению изотопов.

КОНФЛИКТ КАПИЦЫ

             В сентябре на пяти заседаниях Техсовета были  подготовленные решения, очевидно, соответствовавшие настроению высшего руководства. Они сводились к повторению Манхэттенского проекта в такие же сроки, что привели США к наработке делящихся материалов для первых бомб, немецкий «уран-проект» шел к нему дополнением. Последний был ориентирован на получение плутония в «котле тяжелая вода-уран» (терминология прошлых лет). До промышленной стадии этот проект не дошел, поскольку требуемого количества 4-5 т тяжелой воды заполучить в Норвегии, на что изначально рассчитывала Германия, так и не удалось (см. подробнее нелегкая вода). К концу войны в США  было накоплено 32 т тяжелой воды, но создание котла отложили. Все силы были брошены на производство плутония в котле графит-уран и оружейного урана, обогащенного до 90 % изотопом  U-235. Для этого основным по началу был выбран газодиффузионный метод, как и в прерванном английском проекте «Тьюб аллойз». Однако, из-за встретившихся трудностей, до оружейных кондиций уран был доведен другим, магнитно-динамическим методом. 
            Почти сразу после «сентябрьской конференции», 3 октября Капица обратился с письменной просьбой к Сталину об освобождении его от работы в Спецкомитете. Об отставке и письмах Капицы  уже говорилось (см. часть 1 Мы не пойдем другим путем). На освободившееся место в Спецкомитете никого потом не назначили. Так сложилась Курчатовская атомная монополия. 
         Капица  пишет Сталину письмо патриотической  направленности (2 января 1946г.), прикладывая рукопись Л.И. Гумилевского «Русские инженеры». Только на это письмо он и получил ответ. Ходовыми цитатами из  писем Капицы мы воспользуемся в качестве тезисов (антитезисов), помещая их в текст наподобие эпиграфов.

ФИЗИКА И ВЛАСТЬ

«Товарищи Берия, Маленков и Вознесенский ведут себя в Спецкомитете как сверхчеловеки.... Я ему (Берии) предлагал учить его физике, приезжать ко мне в институт. ...Вы не понимаете физики, дайте нам, ученым, судить об этих вопросах». Из письма Капицы

 

Фото:  

1)  Дэвид Холловей , профессор Стенфордского университета,
2)  В. С. ЕмелЬянов 

========================
    Если не приукрашивать, то история о разработке в СССР производства урана, обогащенного изотопом U-235,  будет походить на рассказ, как неправильно решали задачу, имея  готовый правильный ответ.   
            Научно-технические задачи руководителю Манхэттенского проекта бригадному генералу Л. Гровсу приходилось решать  не в приказном, а в договорном порядке. По его настоянию фирма «Дюпон» взялась за разработку технологии, создание и эксплуатацию опытного завода в Ок-Ридже и громадного комплекса в Хэнфорде по производству плутония. По контракту символическую прибыль в 1$ фирме полагалось получить после окончания войны. Все расходы по контракту брало на себя государство (подробнее ). Как видно, у американцев с патриотизмом тоже было все в порядке. Своих ученых-атомщиков Гровс называл «яйцеголовыми», в шутку - недоверия между ними не было.  Его полковники навряд ли вникали уж так глубоко в ядерную физику. Руководителям партий и правительству США не надо было запрещать  вредные или непонятные им науки,  такие как кибернетика или генетика. Они даже не запретили теорию резонанса вредного ученого Лайнуса Паулинга, организовавшего движение за прекращение испытания ядерного оружия (подробнее Резонанс). Разбираться, какая наука вредная, приходилось самим яйцеголовым.  
            «Ванников был в смятении от возложенной на него ответственности». – пишет   Д. Холловэй: «В начале сентября 1945 г. он сказал Василию Емельянову, которого только что просил возглавить научно-техническое управление в Первом главном управлении: «Вчера сидел с физиками и радиохимиками из Радиевого института. Пока мы говорим на разных языках. Даже точнее, они говорят, а я только глазами моргаю: слова будто бы и русские, но слышу я их впервые, не мой лексикон». 
            Сам Емельянов вспоминает: «В ту же осень 1945 года, состоялось заседание Научно-технического совета при Совете Народных Комиссаров ... Докладывал академик И. К. Кикоин. На заседании я сидел рядом с В. A. Малышевым, заместителем Председателя Совнаркома. Он наклонился ко мне и спросил:
— Ты что-нибудь понял!
Я ответил шепотом:
— Немного.

Малышев вздохнул и сказал:
— Хорошо, что хоть немного, я совсем ничего не понял.
Слова Малышева меня обрадовали, потому что я ему сказал неправду: я тоже ничего не понял из того, что говорил Кикоин ...

После заседания я узнал, что этот человек (бородач, ок) — научный руководитель урановой проблемы, как она тогда называлась, молодой академик Игорь Васильевич Курчатов:
— Ну как, поняли, что Исаак Константинович говорил? В этом процессе, как у выхода из кино после окончания киносеанса: маленькие, юркие люди быстрее проскакивают, чем грузные и малоподвижные. Вот нам и надо создать такие условия, чтобы затруднить движение больших, крупных молекул и посодействовать юрким».

К этому разговору мы еще вернемя. 

Использованные материалы  указаны в в концев этой части компаса.  
   

   

   


 

Сталин и бомба: Советский Союз и атомная энергия: 1939-1956 гг.

Сталин и бомба: Советский Союз и атомная энергия: 1939-1956 гг. (пер. с англ. Дьякова Б.Б., Френкеля В.Я.)
Книга
Автор:
Холловэй Д.
Цена:
213.00 руб.
Вес:
750 г
Нехудожественная литература Общественные и гуманитарные науки История. Археология. Этнография Отечественная история История СССР СССР в 1945 - 1985 гг.

ПРОГРАМНЫЙ ДОКЛАД

" Во всяком случае, то, что делается сейчас, не есть кратчайший и наиболее дешевый путь к ее созданию.." Из письма Капицы


Рис. 1
Ступень разделения:1 – вход, 2 - обедненныйу  ран, 3 – обогащенный
уран, 4 – коррозионные потери .
Рис. 2
Слеваа:  общий вид каскада по патенту США № 3,208,197.
Справа: подписи авторов – Ф. Саймон, К. Фукс, Р. Пайерлс;
вверху:  соотношение мощностей диффузионных машин
 в разных местах каскада.
============================================
Газодиффузионное  разделение изотопов урана  это еще далеко не ядерная физика, Принцип его прост, а, главное, имеет близкие житейские образы. Какое квалифицированное решение  мог принять такой Совет по поводу действительно новых проблем, допустим, реакторов или радиохимического передела плутония? В случае разделения изотопов просто надо подумать. Рассмотрим такой случай: требуется разделить песок (соль, мелкий гравий или т.п.), а под рукой есть только сито с более широкими отверстиями, чем сами частицы.  Каждую взятую порцию, понятно,  до конца  рассеивать бессмысленно, но можно, например, до половины. Отсев и остаток собирем отдельно.  Сито интенсивно трясем в горизонтальном направлении, чтобы сквозного провального отсева было меньше. Просеяв весь исходный материал,  повторим эту же операцию с отобранным отсевом. Проделав процедуру  несколько раз, мы получим какое-то количество фракции более мелкого песка. Что тут может быть непонятного? Неужели членам Научно-технического совета при Совете Народных Комиссаров была доступна лишь Курчатовская аналогия с толпой в кинотеатре? Может быть, Исаак Константинович говорил слишком по научному и непонятно? Доклад Кикоина приведен в сблрнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев). Его текст простой, четкий и доходчивый.  Покажем основные положения.

            «Если пропускать газ (шестифтористый уран), состоящий из двух сортов молекул (в нашем случае двух изотопов), через малое отверстие или через сетку, то оказывается, что более легкие молекулы газа проходят в большем количестве, нежели тяжелые. Существенно отметить, что это явление имеет место только тогда, когда молекулы проходят через отверстие, не сталкиваясь в нем, ...  т.е., когда длина свободного пробега молекулы больше диаметра отверстия. Прак­тически всегда имеет место обратное просачивание газа сквозь сетку, вслед­ствие чего в действительности увеличение концентрации легкого изотопа (обогащение) оказывается несколько меньшим (рис. 1). 
            Обогащение оказывается тем большим, чем больше перепад давления на сетке. Перепад давления создается обычно компрессором (насосом), осуществляющим движение газа между сетками. Такая система, состоящая из сеток и компрессора, движущего газ, и явля­ется разделительной ступенью (рис. 1).  Многократное обогащение газа при непрерывном процессе работы может быть осуществлено при помощи каскадной установки, состоящей из большого числа ступеней, соединенных последовательно (рис. 2). 
            Что касается сеток, то к ним предъявляется требо­вание, чтобы диаметр отверстия их был меньше длины свободного пробега молекул шестифтористого урана. Последняя, как это хорошо известно, обратно пропорциональна давлению газа. При атмосферном давлении длина свободного пробега молекул прибли­зительно равна 1/10 000 мм. Поэтому, если бы мы умели делать тонкую сетку с отверстиями меньше 1/10 000 мм, мы могли бы работать с газом при атмосферном давлении. 
            В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е. в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного дав­ления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмо­сферы, т.е. в условиях хорошего вакуума. Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концен­трации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки. Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней». 

            Мы опустили подробные разъяснения из доклада, полагая, что суть проблемы ясна. Молекулы, естественно, не песок, они двигаются сами вокруг неподвижного фильтра (сетки), а смысл каскада это многократный непрерывный пересев молекул. Вместо рисунков, содержащихся в докладе Кикоина, мы приводим свои, которые уже фигурировали раньше в предыдущих частях. Большой каскад надо делать «треугольным» с разделительными ступенями разной мощности. Мощность конечных ступеней – граммы в сутки, а в исчерпывающей части каскада крутятся сотни килограмм обедненного сырья. Экономичность каскада повышается, если его компоновать из ступеней разной производительности.

ОСОБОЕ МЕНИЕ

«... надо скоро и дешево создать Атомную Бом6у. Но не таким путем, как мы идем сейчас, он совсем безалаберен и без плана». Из письма Капицы

 

Бочвар Андрей Анатольевич
             (1902-1984 )
==========================

            На первом, организационном заседании Технического совета     27 августа  1945г. решили: «Рассмотреть на заседании Совета 6 сентября 1945г. состояние научно-исследовательских и проектных работ, проводимых Лабораторией № 2 по получению минерального продукта способом механической обработки (докладчики тт. Кикоин И.К, Вознесенский И.Н, Соболев С.Л.). Поручить члену Совета т. Капице П. Л. детально ознакомиться с состояни­ем указанных работ и дать соображения о дальнейших научно-исследовательских и практических задачах в области разработки и осуществления способа механической обработки (так для конспирации называли газодиффузионное разделение, ок)». 
            Такая раскладка выглядит странной. «Доклад о способах промышленного получения тяжелой воды» был подготовлен М.О. Корнфельдом.  Казалось бы, Капице, возглавившем комиссию по этой проблеме, и  положено было бы выступить с содокладом. Вместо того, заслушав доклад, Совет поручает М.Г. Первухину созвать еще одну комиссию по тяжелой воде с техническим уклоном. 
       Основатель отечественной металлургии плутония А.А. Бочвар, видевший последующие события «изнутри», пишет, что Капица сам проявлял интерес к обогащению урана и сразу стал сторонником создания атомного оружия на урановой основе. Если бы главные ресурсы были сосредоточены на этом направлении,  разделительные фильтры были бы готовы на 3 года раньше,  первую бомбу удалось бы взорвать к 1947-48гг. и серийное производство более простых по конструкции урановых бомб было бы начато сразу же после испытаний. Помимо гигантской экономии средств создание реакторов проходило бы без спешки и, очень вероятно, без крупных аварий и выбросов радиоактивности. 
            С докладом Кикоина мы познакомились. К сожалению, о содержании содоклада Капицы нам ничего не известно, и здесь приходится  делать прочерк.

          Второе письмо об отставке он подал накануне выхода постановлений Совнаркома 1 декабря 1945г., о строительстве комбинатов: 
    -   №817 (ныне ПО «Маяк», г. Озерск), в состав которого вошли уран-графитовый котел, выделение и получение металлического плутония;        
   -  №813 (ныне Уральский электромеханический завод, г. Новоуральск) для разделения изотопов урана газодиффузионным методом. 
       Капица, таким образом, как бы выразил особое мнение и нежелание делить ответственность за поспешные, непродуманные действия. Не получив ответа и на это письмо, он проработал в Спецкомитете еще почти месяц до 21 декабря. На освободившееся место никого потом не назначили. Так сложилась Курчатовская атомная монополия.





 

НАКОЛКИ т. ПОЛЯКОВА

«В организации работы по атомной бомбе, мне кажется, есть много ненормального». Из письма Капицы

 

Исаак Константинович Кикоин  
              (1908- 1984)  
  =================
  
            Из доклада Кикоина, видно  что Лаборатория №2, как в самом начале назывался Курчатовский институт, имела по диффузионному разделению U-235/U-238 некоторый задел. В 1944г. Кикоин по вызову Курчатова переехал в Москву из Свердловска и стал заниматься этой проблемой. Здесь же  Вознесенский и Соболев  приступили к предварительным расчетам, а в Уральском филиале АН СССР начали готовить  экспериментальные  исследования. Как и что надо было  делать становилось ясно из разведданных: сам Курчатов привлекался  для их оценки на предмет значимости и информативности, а иногда к этой работе ему разрешали допускать Кикоина и др. ближайших сотрудников.  
      На заседании Технического совета 10 сентября по диффузионному разделению были намечены первоочередные задачи - изготовление и испытание:
·
        первого опытного компрессора не позднее 1 ноября 1945г. и
·         первой колонны в 15-30 компрессоров в I кв. 1946г.
А на  Инженерно-техническом совете 13 февраля 1946г. было заслушано сообщение Малышева и Кикоина «Об изготовлении сеток к турбокомпрессорам». Некоторое время этот Совет  существовал параллельно с Техническим, а в тот день на нем решили:
        «Принять предложение т. Кикоина И.К. об укомплектовании турбокомп­рессоров, изготовляемых для завода № 813, сеткой из медной фольги с отверстиями до (...) и живым сечением (...), проверенной в лабораторных условиях, изготовленной по методу и на станке т. Полякова. (Речь идет о станке-автомате для производства фильтров путем механического прокалывания фольги, конкретные размеры в цитированном источнике отсутствуют, ок) Сетка для опытных 6 шт. турбокомпрессоров, изготовляемых артиллерийским заводом им. Сталина и Кировским заводом, будет изготовлена Лабораторией АН  ..., для чего в конце февраля с.г. в Лаборатории № 2 АН будут пущены заканчивающиеся в настоящее время изготовлением 10 шт. станков конструкции т. Полякова. 
            Рекомендовать Первому главному управлению при СНК СССР заказать в первую очередь 100 шт. станков указанной конструкции для изготовления сеток по методу Полякова с установкой их на заводе № 48.  Считать целесообразным разработку усовершенствованной конструкции станка системы Полякова силами специалистов Наркомминвооружения. 
            Просить Специальный коми­тет выдать т. Полякову премию в размере 25 тыс. руб. Признать необходимым, установить премии (в размере до 250 тыс. руб.) за разработку в ближайшие 2-3 месяца новых образцов сеток, технологии про­изводства и оборудования для их изготовления». 
         Так вот оказывается, на какие сетки был ориентирован расчет производства U-235. Сетки, сита ... Да ведь с этого начинал и Саймон! Но он обошелся ситами со своей кухни. Они потребовались для того, чтобы разобраться в  задаче и понять, что эффективное разделения молекул происходит при кнудсеновском режиме диффузии, и для разделения изотопов урана надо фильтры с очень узкими порами. Разработкой таких фильтров вскоре и занялся Клафам, используя свои познания в технике офсетной печати (см. часть 2: Фильтры определяют всё (или почти всё)! ) . Наверняка, обо всем этом узнали  из  материалов, переданных Фуксом (см. часть 3: Клаус Фукс - разведчик, предатель, герой ).

Интересно, сколько времени изобретал свою машину т. Поляков. 


 

ПРАВИЛЬНЫЙ ОТВЕТ

"У тов. Берия основная слабость в том, что дирижер должен не только махать палочкой, но и понимать партитуру. С этим у Берия слабо..." Из письма Капицы


Первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже. Строительство обошлось в  $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.  
                      =================================
Правильный ответ к задаче о фильтрах был известен, о нем ведь написано в докладе Кикоина.  Этот же ответ есть и в «Отчете» Смита:
«Материал перегородки должен иметь миллионы отверстий диаметра меньшего или равного 0,01 микрона (10 нм) и почти не содержать отверстий с диаметром, превышающим эту величину. Отверстия не должны увеличиваться или закупориваться в результате прямой коррозии или пыли, возникающей при коррозии где-нибудь в системе. Перегородка должна быть способна противостоять «напору» в одну атмосферу». 
            У Смита к тому же сказано: «Основными трудностями явились разработка удовлетворительных перегородок (фильтров) и насосов. Требовались акры (гектары) перегородок и тысячи насосов. В общем, история разработки перегородки напоминает автору историю проблемы защиты урановых блоков в проекте по плутонию. В обоих случаях ... окончательное решение не было найдено до последней минуты». 
             В конце концов, участникам манхэттенского проекта такие фильтры сделать удалось. Хотя слова «нанотехнология» еще не было, а технология уже появилась. Классический случай – изделие с заданным размером пор в 10 нм. 
            Помимо «Отчета» Смита были же и разведданные. На заседании Техсовета 13 ноября 1945г.  А.Н. Рылов - сотрудник Бюро №2, руководимого уже знакомым нам генералом Судоплатовым,  доложил  об имеющихся у них материалах, в том числе по «проекту завода механической обработки сырья», т.е. газодиффузионного завода,  и «фильтрах для завода». Перечислим их для ясности:
·        «Избирательная диффузия  фтористого урана» (3 л. с чертежами на 3 л.);
·        «Диффузионнно-разделительная установка», устройство завода и очистительная система (всего на 19 л.);
·         "Диффузионнно-разделительный завод". Строительные планы и чертежи  (на 21л.);
·        «Производство диффузионных мембран» (на 5 л.).
Потом сотрудники бюро доложат, по крайней мере, еще о десятке подобных материалов по этой проблеме. 
            Все это мало походит на дезинформацию. Просто проблеме фильтров и предостережению Смита не уделили должного внимания. Мы же обратим внимание читателя, что заложенные  в проект показатели первого советского завода оружейного урана, оказались в 10-100 хуже, чем у американцев. Понижение давление - это переход к разбавленным средам: концентрация гексафторида урана в молях на литр уменьшается в 100 раз. В таком варианте во столько же раз снижается производительность единицы площади фильтра, возрастают габариты диффузионных машин, а также мощность, затрачиваемая на передвижение газа. К тому же «условия хорошего вакуума» можно обеспечить лишь сложной и дорогостоящей техникой. Есть и еще деталь – герметичность громадной системы, т.е. соединений узлов всех машин, коммуникаций, задвижек и прочая. Нарушение герметичности при избыточном давлении  – плохо: потери в атмосферу, а для вакуума – это подсосы из атмосферы. Если рабочая среда активно реагирует с окружающим воздухом, как  в случае гексафторида урана, то это уже совсем плохо. Остается сказать, что для первого газодиффузионного завода К-25 в Ок-Ридже построили самое большое на то время здание в мире, а подведенная  к нему электрическая мощность была почти такой же, как у города Нью-Йорк. Можно ли себе представить что-нибудь даже в 10 раз больше?

 

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПРЕДЫДУЩАЯ ЧАСТЬ 3 . Англия делает сама

СЛЕДУЮЩАЯ ЧАСТЬ 5. СССР: БИТВА ЗА ИЗОТОП

http://moikompas.ru/compas/filter_uran_related_5

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter