Как разделить изотопы

1 декабря 2003, 00:00

Существует несколько способов разделения изотопов урана: центрифужный, термодиффузионный, электромагнитный и др. С самого начала во всех национальных атомных проектах промышленное развитие получили именно диффузионные технологии. Несмотря на неэффективность и чудовищную энергозатратность, оказалось, их проще было воплотить технически.

Американцы же получили первые килограммовые запасы урана для своих бомб на электромагнитной установке. Урановое вещество в ней испарялось, ионизировалось и разгонялось сильным электрическим полем, в котором тяжелые и легкие ионы урана разлетались по различным траекториям. Но для большей эффективности до магнитной разгонки американцам пришлось пропустить заготовку для ядерной взрывчатки через термодиффузионную установку обогащения. Термодиффузионная разделительная колонка состояла из двух по-разному разогретых труб, между которыми создавался диффузионный поток, и в результате появлялась разность концентрации изотопов в поперечном сечении колонки. объем работ, связанных с созданием сброшенных на Японию бомб, легко представить по масштабам заводов, на которых уран доводился до нужной кондиции: термодиффузионный, к примеру, состоял из 2142 колонн, высотой каждая была больше 15 метров, а электромагнитный завод в Ок-Ридже имел 5184 разделительные камеры.

Если первая советская бомба для пущей надежности была сделана по американскому подобию, то уран для нее был сконцентрирован оригинальным способом. До электромагнитного метода использовался газодиффузионный. Здесь разделение происходит за счет прогонки газовых соединений урана через фильтры - пористые перегородки, из-за разности в атомном весе более легкие атомы урана-235 проскакивали их быстрее и концентрировались по другую сторону. Первую советскую бомбу, взорванную под Семипалатинском, обеспечил ураном газодиффузионный завод, который был запущен в 1948 году в Верх-Нейвинске Свердловской области.

Физика процессов, происходящих при центрифужном разделении, не сложна: при вращении центрифуги (скорость современных машин достигает 700 м/с) более тяжелые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а легкие молекулы - у ротора центрифуги. Поток газа с тяжелым изотопом направлен вниз, а с легким - вверх. Еще в 1937 году советский физик Юлий Харитон опубликовал работу, в которой описывал основные принципы центрифужного разделения изотопов. В 40-е годы харитоновские идеи центрифужных технологий получили развитие благодаря немецким ученым. Уже в 1943 году в Уфе сбежавший из нацистской Германии физик Фриц Ланге построил первую пятиметровую центрифугу, годом позже она развалилась при промышленных испытаниях. Несмотря на неудачу, Лаврентий Берия санкционировал продолжение работ над центрифугами. Дело в том, что в СССР, разрушенном войной в отличие от западных стран, остро стояла энергетическая проблема, а харитоновские работы обещали существенную экономию энергии, если использовать центрифужную технологию, а не диффузионные.

Проблемой газового разряда занимался в Siemens Макс Штеенбек. В 1945 году он был среди немецких ученых, вывезенных НКВД в СССР для работы над советским атомным проектом. Вместе с Конрадом Циппе Штеенбек провел ряд исследований по центрифужному разделению в Особом конструкторском бюро ленинградского Кировского завода.

Позже Циппе сумел уехать на Запад, где его идеи воплотились в центрифужных технологиях компании Urenco. В технологии Urenco используется длинный ротор, советский же физик-инженер Евгений Каменев разработал центрифугу с коротким жестким ротором. Чтобы такой ротор не разрушался во время вращения, для него была разработана специальная сталь - мартенсит, его прочность почти втрое превышает прочность оружейной стали. Хотя по производительности каждая машина по технологии Каменева уступает технике Urenco, зато существенно превосходит ее по надежности и долговечности. Именно сочетание центрифужной технологии и газодинамического способа каскадирования (соединение нескольких центрифуг в каскад), что предложил академик Исаак Кикоин, обеспечило нашей стране лидерство в области обогащения урана, сохранившееся и по сию пору. Соединение центрифуг в каскад в двадцать раз сократило расход электроэнергии в процессе разделения, а число самих каскадов - в сотни раз по сравнению с другими способами разделения изотопов.