ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ
/
/ /
/
Доктор физико-математических наук Юрий МАРТЫНЕНКО, главный научный сотрудник РНЦ «Курчатовский институт»
Электромагнитное разделение изотопов сыграло ключевую роль в осуществлении советского атомного проекта, инициированного в разгар Второй мировой войны (1942 г.) Государственным комитетом обороны СССР, и привело к новым направлениям в науке и технике, развитию современных технологий.
ПРОБЛЕМА № 1
В работе над созданием атомной бомбы на первый план сразу вышла проблема получения делящегося вещества - собственно «взрывчатки». Таковой мог стать либо плутоний-239 (239Ри), либо уран-235 ( II). Первого в природе практически нет. Он образуется в результате определенной последовательности ядерных реакций при облучении нейтронами ура-на-238 (238и). Для его «наработки» 25 декабря 1946 г. в Лаборатории № 2 АН СССР (с 1993 г. РНЦ «Курчатовский институт») под руководством академика Игоря Курчатова* — главы проекта — осуществили пуск первого в Евразии атомного реактора**. А 235и надо было выделить из природного урана, содержащего всего 0,72% этого делящегося вещества.
*См.: Е.Велихов. Его мечта — создать солнце на Земле. — Наука в России, 2003. № 1 (прим. ред.).
"См.: Н. Черноплеков. На заре атомной энергетики. — Наука в России, 2006, № 6 (прим. ред.).
Задачу получения плутония-239 и урана-235 решали одновременно, причем для последнего специалисты предложили сразу несколько методов: газодиффузионный, центробежный и электромагнитный.
ПУТЬ К ОБРЕТЕНИЮ «ВЗРЫВЧАТКИ»
Отправной точкой исследований электромагнитного разделения изотопов послужила записка Курчатова от 24 ноября 1944 г. Лаврентию Берии, возглавлявшему работы по использованию внутриатомной энергии урана в СССР, с рекомендацией назначить заведующего лабораторией Ленинградского физико-технического института АН СССР Льва Арцимовича* (академик с 1953 г.) на роль руководителя. «Л.А. Ар-цимович - очень способный физик, глубокий и лучший в Союзе знаток электронной оптики, — писал
*См.: Е. Велихов. Термоядерное горение. — Наука в России, 2009,
№ 1 (прим. ред.).
Сильноточный ионный источник
Ионная оптика сильноточных пучков
Приемник ионов Химия изотопов
Схема электромагнитного разделения изотопов.
Курчатов. — В основном он занят сейчас решением вопроса видения в темноте, и только часть времени уделяет работам по магнитному способу выделения урана-235. Я считаю необходимым полное переключение его на эту последнюю работу».
Предложение приняли незамедлительно, и к концу 1944 г Арцимович уже возглавлял в Лаборатории № 2 и Ленинградском физико-техническом институте соответствующие сектора. Параллельно в 1945 г. электромагнитный метод разделения изотопов разрабатывали в Сухумском физико-техническом институте под руководством немецкого физика Манфреда фон Арденне.
Разделение изотопов электромагнитным методом основано на том, что ускоренные заряженные частицы движутся в поперечном магнитном поле по окружности с радиусом, зависящим от отношения заряда к массе частицы, причем ионы тяжелого изото-
238 235
па и — с большим, чем ионы легкого изотопа и. Это позволяет, направив пучок ускоренных ионов, не разделенных по массе, в магнитное поле, получать разделенные пучки, содержащие ионы определенной массы. Задача состояла в том, чтобы создать мощный источник, найти механизмы управления сильноточными ионными пучками при их прохождении через ускоряющую систему, магнитное поле и фокусировку, а также разработать приемник ионов, который собирал бы каждый изотоп в своей ячейке, а далее химически выделить искомый.
Источники ионов существовали и ранее — их использовали в масс-спектрометрах, предложенных канадским физикохимиком Артуром Демпстером в 1918 г. Эти приборы применяли для анализа состава вещества, но ток в них составлял ничтожно малую величину — наноамперы, а для выполнения поставленной в конце войны задачи (создания крупномасштабного производства выделения урана-235) необходимо было иметь хотя бы десятую долю ампера (разница в 7 порядков величины!). Кроме того, они
должны работать производительно, т.е. десятки часов непрерывно.
Разработку новой техники вели в секторе Артемовича сотрудники лаборатории, возглавляемой доктором физико-математических наук Павлом Морозовым, и независимо в Сухумском физтехе под руководством Арденне. Однако источник Лаборатории № 2 признали лучшим и именно его «приняли на вооружение».
ИОННАЯ ОПТИКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ
Принцип разделения изотопов требует, чтобы пучки ионов разной массы приходили к приемному устройству на достаточном расстоянии друг от друга (по крайней мере в 1 см) и попадали каждый в свою ячейку. Выражаясь научно, нужна дисперсия при разнице масс всего в 1%. Кроме того, они должны быть хорошо сфокусированы, т.е. пучок ионов одной массы «обязан» целиком попасть в свою ячейку, а не расходиться, покрывая соседние.
Поскольку положительные ионы в пучке расталкиваются по закону Кулона*, его объемный заряд компенсируют, т.е. добавляют в него электроны. При малых токах это достигают в процессе ионизации остаточного газа, ведущей к образованию нужного количества элементарных частиц, а при больших — за счет компенсаторов, поставляющих дополнительный поток электронов. К тому же следовало погасить колебания в сильноточном ионном пучке и минимизировать рассеяние на атомах остаточного газа, что также приводит к его расхождению и уменьшению степени обогащения получаемых изотопов.
В московском секторе Арцимовича эти задачи решали доктора физико-математических наук Василий
*Закон Кулона - один из основных в электростатике, определяющий силу взаимодействия между двумя электрически заряженными телами, размеры которых малы по сравнению с расстоянием межд\ ними. Установлен французским инженером и физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. опытным путем (прим. ред.).
Золотарев, Александр Андрианов, Герман Щепкин, Степан Лукьянов и их коллеги, а также сотрудники его ленинградской лаборатории, возглавляемой одним из основоположников нового раздела физики атомных столкновений доктором физико-математических наук Николаем Федоренко. Обширные изыскания провел известный трудами в области фундаментальных проблем квантовой механики доктор физико-математических наук Олег Фирсов, с 1955 г. работавший у Курчатова. Свой вклад в развитие научных идей внес и сам Арцимович, предложивший неоднородное магнитное поле специальной конфигурации, позволяющее увеличить дисперсию по массам. Эту идею с успехом реализовали, но позже.
В деле создания приемника ионов тоже были свои трудности. Исследователям предстояло познать неизвестные явления взаимодействия электрически заряженных частиц с твердым телом. Что происходит с быстрым ионом, когда он падает на его поверхность: отражается или внедряется в нее? Какова роль распыления, т.е. эрозии поверхности под действием ускоренных ионов? Возможно, все ионы, внедряющиеся в поверхностный слой, «распыляются» вместе с ним? В нашем институте ответы на эти и многие другие вопросы искали доктор физико-математических наук Игорь Головин, кандидаты физико-математи-ческих наук Борис Панин и Всеволод Тельковский (последний вскоре защитил докторскую диссертацию и стал заведующим кафедрой физики плазмы МИФИ), в Сухумском физтехе — Манфред Арденне,
Сильноточный ионный источник И-22, разработанный в Курчатовском институте.
Виктор и Мария Гусевы, Рача Демирханов, Давид Чкуасели.
К ноябрю 1945 г. в Лаборатории № 2 за сутки получили 70 мг урана-235, обогащенного до 12-15 %. А к концу следующего года коллеги Арцимовича выполнили цикл важнейших работ: теоретически и экспериментально изучили различные типы систем ускорения и формирования ионного потока, разработали несколько типов источников, провели анализ состава ионов при использовании прибора с четырехфто-ристым ураном в качестве рабочего вещества, спроектировали и изготовили камеры для начальных опытов по разделению изотопов. Первые испытания (ионный источник током 20 мА работал 1 -2 ч) позволили приступить к проектированию и изготовлению опытного промышленного образца разделительной установки на уральском заводе в Свердловске-45.
К концу 1947 г. величину тока довели до 50 мА при 8-10-часовой непрерывной работе техники, а через три года - до 100 мА. Тогда на установке СУ-20 с 20-ю разделительными камерами, способной работать до 2 суток непрерывно, получили первую партию высо-кообогащенного урана-235. Так в Советском Союзе началось его промышленное выделение для атомной бомбы.
Параллельно на заводе в Челябинске под руководством Исаака Кикоина* (академик с 1953 г.) шли работы по молекулярным методам разделения изотопов, основанным на диффузии газа через пористые перегородки. Однако этот способ, обладая значительным превосходством по производительности, не мог дать более 75% обогащения по изотопу урана-235, в то время как для атомного заряда нужна была «взрывчатка» с 94%-ным обогащением. В первой советской бомбе, испытанной на Семипалатинском полигоне** в августе 1949 г., использовали плутоний, полученный в реакторе. Во второй, взорванной там же в октябре 1951 г., — 235и. Для нее взяли уран с 75%-ным обогащением, полученный на заводе в Свердловске, и довели до нужной кондиции электромагнитным методом.
Однако в том же году ввиду прогресса молекулярных методов разделения изотопов по обогащению урана-235 свердловский завод ликвидировали как самостоятельное предприятие. Разделительные установки вошли в состав другого уральского предприятия, ориентированного на производство лития-6 (61л) для водородной бомбы. Ее успешно испытали в августе 1953 г., что имело огромное значение для военного паритета в мире.
В зарядах двух первых водородных бомб использовали 1л, полученный электромагнитным методом. Далее производство этого ядерного горючего перешло на молекулярные технологии, а электромагнит-
*См.: М. Хализева. Энергия таланта. - Наука в России, 2008, № 3 (прим. ред.).
**См.: Р. Петров. На ядерном полигоне. — Наука в России, 1995, № 1 (прим. ред.).
-
Ионный двигатель «Зефир» для длительных космических полетов.
Стационарный плазменный двигатель «Эо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.