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.
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.
В 1934 году в Университете Виргинии (США) была разработана центрифуга, способная эффективно разделять изотопы.
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.
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.
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.
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».
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.
Например, для Арденне бала создана та самая Лаборатория «А», а Герц возглавил Лабораторию «Г» ( по первой букве фамилии учёных) - будущий Сухумский физико-технический институт.
Благодаря этому, к сотрудничеству с СССР в лабораториях «А» и «Г» соглашалось всё больше немецких специалистов.
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.
«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.
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.
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.
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.
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%.
Эти результаты убедили всех, включая самого Штеенбека, не только в конкурентоспособности центрифужного метода над электромагнитным и диффузионным, но и в превосходстве новой технологии в целом.
14 Февраля 1950 года в СССР утвердили разработку газовой центрифуги в качестве приоритетной технологии обогащения урана. Институты «А» и «Г» объединяются, образуя Сухумский физико-технический институт.
Летом того же года Штеенбек переводится в Сухуми и сосредотачивает там усилия на разработке промышленного образца центрифуги.
В конце 1950 года группа Штеенбека создает трёхметровую надкритичную центрифугу. Результаты испытаний оказались поразительными, в разы лучше расчётных.
При этом износ опорной иглы за первые 1000 часов работы составил сотую долю миллиметра, а дальнейший износ замедлился настолько, что измерить его было невозможно. Технология подтвердила свою работоспособность, и в 1951 году началась подготовка к промышленному освоению центрифужного метода.
В ноябре 1951 года И.И.Новиковым был написан доклад, в котором указывается, что центрифужный метод обогащения урана снижает потребление энергии в 4-5 раз, а затраты, по сравнению с диффузионным, уменьшаются на 40 %. В связи с этим, определены технические характеристики будущего комплекса обогащения урана, состоящего из 13 тысяч центрифуг, соединенных в каскад.
Для дальнейшей работы над промышленным внедрением технологии Макс Штеенбек с личными помощниками Эммой Берген и Рудольф Шеффель в сентябре 1952 года доставлены в Ленинград на Кировский завод. Из группы Штеенбека остались семь высококвалифицированных советских специалистов, продолживших работу на Кировском заводе. Гернот Циппе, согласно его контракту, ожидал возвращения в Германию после окончания лабораторной стадии работ.
Главный конструктор ОКБ Кировского завода Н. М. Синев назначает в качестве основного разработчика новой технологии В.И. Сергеева и поручает ему собрать группу специалистов для детального ознакомления с конструкцией газовой центрифуги Штеенбека.
Но об этом в следующий статье.
P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе Вконтакте!
Скорынин Г.М. Газовые центрифуги для разделения изотопов. Первый трансфер ядерной технологии из СССР // Инф. агентство «ПРоАтом», 05.08.2019.
