Недавно, благодаря комментарию на одну из моих публикаций, вспомнилась история (то ли байка, то ли быль) о том, как один из наших солдат после окончания Великой Отечественной войны привёз с фронта целый чемодан швейных иголок и очень неплохо на этом заработал.
По аналогии вспомнилось, какую роль в нашей истории (да и в истории человечества в целом) сыграли патефонные иголки.
Все сведения находятся в свободном доступе в интернете.
Статья получилась довольно объёмной, но, уверен, прочитать ее будет интересно.
Разделение изотопов Урана.
Ученые начали эксперименты с ураном ещё в 30-е годы. Постепенно пришло осознание того, что в природном уране содержится смесь нескольких изотопов: U-233, U-234, U-235, U238.
Уран-233 и 234 можно не упоминать, их содержание в смеси изотопов ничтожно.
Выяснилось, что самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция возможна только в такой смеси изотопов, где порядка 15-20% (эти данные колеблются от 5-7% до 15-20%) будет составлять U-235.
Но в природной смеси изотопов доля U-235 составляет всего 0,7%. Что делать? Включать процесс увеличения концентрации урана-235 в смеси с ураном-238, называемый "обогащением".
То есть, для того, чтобы уран был полезен для АЭС – требуется его обогащение.
Чтобы уран взрывался в атомных бомбах – требуется его обогащение (но уже до гораздо большей концентрации урана-235).
Встал вопрос: а как этого добиться? Лежит перед нами слиток урана – как выкинуть из него лишние атомы U-238 и добавить атомы U-235?
Достаточно быстро удалось выяснить, что уран легко присоединяет к себе атомы фтора, превращаясь в кристалл, который при температуре 56 градусов Цельсия превращается в газ. Если точнее – в смесь газов. В одном из них молекулы чуть крупнее и чуть тяжелее – это фтор с изотопом Урана-238. Второй газ состоит из молекул чуть поменьше и чуть полегче – фтор с изотопом Урана-235. Как говорится – разделяй и властвуй!
Изначально физики освоили диффузионный метод разделения изотопов (кстати, в США этот метод долгое время был основным и даже единственным. Почему, расскажем ниже. Это напрямую связано с названием статьи.
Изготавливаем т.н. диффузионную решетку. Затем под давление прогоняем сквозь нее газ гексафторид урана (UF6). Молекула с изотопом урана-235 проскочит, а с изотопом урана-238 застрянет.
Проблемой разделения изотопов теоретически начал заниматься еще в начале 30-х сам Поль Дира́к – выдающийся физик-теоретик.
Группа ученых под его руководством сделала расчеты для разделения изотопов урана. По их расчетам получалась, что разделение изотопов возможно только диффузионным методом.
Учёные понимали, что, в принципе, разделить газ, включающий разные изотопы урана, можно и методом центрифугирования. Как происходит разделение молекул газа UF6 с разными изотопами при помощи центрифуги? Да по тому же принципу, по которому в сепараторе отделяют масло от молока. Берем ось, которая будет вращаться, вставляем в бочку, наливаем в нее молоко. Раскручиваем как следует ось – масло остается на оси, все остальное (как более тяжёлое) – оседает на стенках, стекая постепенно вниз.
Вот только расчеты теоретиков показали: для того, чтобы «легкие» атомы урана-235 отделить от «тяжелых» атомов урана-238, ось центрифуги должна вращаться со скоростью не менее 1200 оборотов в секунду. Причина необходимости таких "диких" оборотов – ничтожная разница в весе этих изотопов (и, соответственно, молекул газа).
Вердикт физиков был – вращать с такой скоростью механическую ось невозможно.
Никакие подшипники не выдержат такую скорость, никакой материал для стенок не пройдет частоту резонанса (ось набирает скорость постепенно, и обязательно проходит так называемую "критическую частоту", совпадающую с частотой резонанса стенок центрифуги.
Помните роту солдат на Египетском мосту Санкт-Петербурга, шагающей нога в ногу, из-за чего мост просто разваливается?
"Способ разделения изотопов центрифугированием безнадежен!" – сказали большие физики. Yes! – ответили американцы и в "Манхеттенском проекте" стали использовать исключительно диффузионный метод. Научное название метода – "диффузионное разделение": газ ведь проходит сквозь сетку, а в физике такой процесс и называют диффузией.
Как работается с этими сеточками? Кропотливый труд: одна сетка отделяет 1,0002 так нужного атома урана-235. Чтобы добраться до нужных для АЭС 10 – 15% урана-235 нужно поставить друг за другом 1 500 сеток.
Сама сетка – произведение инженерного искусства. Диаметр отверстий в ней – 0,000 01 мм.
При этом сетка должна выдерживать температуру под 100 градусов (UF6 должен находиться в газообразном состоянии), материал должен не бояться воздействия радиации.
И таких сеток нужны тысячи и тысячи. На функционирование каскадов этих сеток уходит прорва электроэнергии: даже после 50 лет усовершенствования этого метода на единицу разделения тратилось 2 500 кВтЧ. Но результаты таких трудов и таких затрат того стоили – благодаря этим самым сеточкам американцы не только уничтожили Хиросиму и Нагасаки, но и могли строить планы ядерной бомбардировки городов СССР.
В СССР в декабре 1945 года работа по созданию диффузионных производств была поручена Исааку Константиновичу Кико́ину. 28 сентября 1942 настал день, который можно считать днем рождения Атомного проекта СССР. В этот день вышло постановление ГКО (государственного комитета обороны) № 2352с "Об организации работ по урану". Исаак Кикоин стал одним из первых, кого привлекли к этой работе, Времени с той секретной поры прошло много, теперь даже можно "перевести на русский" задачу, которая была поставлена Кикоину. Тогда это звучало так: "Обеспечить строительство завода № 813 в Свердловске-44".
Это означало: создать проект и обеспечить строительство завода газо-диффузионного обогащения урана в новом закрытом городе. Не в городке, а именно в городе – в советские времена его население составляло 150 тысяч человек.
Завод и сейчас работает, хотя давно уже перешел на центрифуги. Это – Уральский электрохимический комбинат в городе Новоуральске Свердловской области. Задание было успешно выполнено, свидетельством чему и стал взрыв в Семипалатинске нашей Бомбы № 1 уже в 1949 году.
Но Лаврентия Берия не был бы Берией, если бы не делал свою работу с "перезакладом". Сеточки с диффузией – дело хорошее, но стоит ли сбрасывать со счетов центрифуги? Расчеты Дирака показали, что надо сбросить, но это всё-таки только Дирак.
Лаврентий Павлович прекрасно знал, что теоретические расчеты группы Дирака экспериментально пытались перепроверить в Германии. По этой причине лагеря военнопленных внимательно проверяли в поисках именно этих специалистов.
В конце сентября 1945 в лагере в Познани сверхштатный сотрудник Ленинградского физтеха (да-да, именно так звучала эта должность) Лев Арцимо́вич обнаружил бывшего сотрудника фирмы "Сименс" Макса Штейнбека. А, собственно, где должен был находиться один из разработчиков кумулятивного заряда для фауст-патронов? Жить бедолаге оставалось недолго – если бы не Арцимович.
Но для Льва Андреевича Штейнбек был не заурядным нацистом, а одним из ведущих специалистов в физике плазмы, автором двухтомного учебника для вузов. В общем, Лев Андреевич предложил Штейнбеку, как это сейчас говорят, очень выгодный контракт – 10 лет поработать гастарбайтером в СССР, а тот и не отказался, причем совершенно добровольно. Безработица в послевоенной Германии помогла группе «сверхштатных» сотрудников всяческих советских научных институтов набрать еще около 7 000 таких же добровольцев. 300 человек из них решили, что им очень хочется работать в городе Сухуми, где в 1951 году и был создан широко известный в узких кругах Сухумский физико-технический институт. Возглавил его, само собой, очень уважаемый в научных кругах специалист – генерал НКВД Кочлавашвили.
Группе Макса Штейнбека было поручено перепроверить возможность обогащения урана при помощи центрифуг. Штейнбек собрал всех, кто мог быть полезен – около 100 человек.
Работали немцы старательно, дисциплинированно и достаточно результативно. Но мы ведь помним, кто руководил Спецкомитетом?! Мог этот замечательный человек доверять этим славным людям безоговорочно? Ответ очевиден. Поэтому рядом с немцами появился еще один инженер (а не соглядатай, как некоторые могли подумать) – Виктор Иванович Сергеев.
Этот молодой парень (1921 года рождения) перед войной учился на инженера в МВТУ.
С начала июля 1941 Виктор Сергеев – доброволец Бауманской дивизии народного ополчения Москвы. Уцелел, выжил. С января 1943 участия в боях больше не принимал, поскольку получил совсем другое задание: ему было поручено изучать и находить самые слабые места в конструкциях "Тигров", "Пантер" и т.п. К концу войны Виктор Сергеев прекрасно разбирался в том, как работает немецкая инженерная школа и – где чаще всего допускает ошибки.
Так что рядом с Штейнбеком он оказался не случайно.
Штейнбек решил проблему опорного подшипника (который на таких скоростях просто рассыпался). Стараниями Штейнбека этот узел вообще исчез из конструкции центрифуги. Нижняя часть оси опирается на иглу, которая стоит на подложке из очень твердого сплава.
Пока немцы экспериментировали со сплавом подложки, пришел Сергеев и все упростил: немцы просто не были в курсе, что в Армении еще до войны научились выращивать искусственные корунды – вторые по твердости минералы после алмаза (корундами с различными примесями являются, кстати, рубины, сапфиры и некоторые другие драгоценные камни).
Во всех современных механических часах оси также опираются на подложки из искусственных корундов.
Одновременно, и весьма необычно, был решен и вопрос с материалом самой иглы.
Центрифуги в России продолжает выпускать Владимирский завод "Точмаш". Заводу много лет: основан он был в 1933 году, и назывался тогда ... Владимирский граммофонный завод. Выпускал самую что ни на есть мирную продукцию – патефоны и хромированные иголки к ним. Замечательные иголки, лучшие в мире. Делались они из кусочков рояльных струн, особым способом закаленных. Немцы про этот завод, естественно, не знали, а вот 30-летний парень Виктор Сергеев не иначе, как любил послушать патефон. Догадаться, что чуть ли не самый мирный завод может быть полезен для атомного проекта – для этого надо обладать явно не шаблонным мышлением.
В 1952 группу Штейнбека перевели в Ленинград, в конструкторское бюро Кировского завода, и это стало решающим моментом в истории "Советской ядерной иглы".
Проведём небольшой экскурс в неорганическую химию.
Газ с ураном – это не молоко со сливками. Если кто-то сбивал масло в домашних условиях, то помнит, как все заканчивается: центрифугу надо остановить, ось вытащить и счистить с нее масло, а так называемы «обрат» (то, что осталось после отгона сливок (масла)) – слить отдельно.
Но то – масло, а здесь – уран с его радиацией. Да и не "прилипает" газ к оси. А отделить его надо.
Сергеев предложил внутри центрифуги разместить так называемую трубку Пито (на самолетах она используется для измерения давления набегающего потока воздуха), но Штейнбек поднял его на смех, поскольку никакая теория такого безобразия не допускала. Если ось вращается со скоростью 1 500 оборотов в секунду – с такой же бешеной скоростью вращается и газ, а потому любое препятствие обязано вызвать турбулентности, из-за которых разделенный газ снова смешается в "общую кучу", и вся работа по разделению пойдет насмарку.
Виктор Иванович пытался спорить, но переубедить упрямого немца не смог и – просто махнул на него рукой.
Группа Кикоина, без всякой связи с группой Штейнбека, разработала свою теорию обогащения на центрифуге – и тоже уперлась в эту турбулентность.
Но Сергеев не успокоился и сумел найти двух человек, которые просто поверили в его разработку – директора конструкторского бюро Кировского завода Николая Синева и одного их руководителей МинСредмаша генерал-майора НКВД/КГБ Александра Зверева.
На дворе стоял уже 1955 год, из жизни ушли Сталин и Берия, Спецкомитет стал "Министерством среднего машиностроения", но "атомный генерал" Александр Дмитриевич Зверев оставался в атомном проекте вплоть до своей смерти прямо на рабочем месте в 1986 году. Бывший профессиональный контрразведчик стал профессиональным атомщиком, с формулировкой "за заслуги перед атомной отраслью" в 1962 получил звание Героя социалистического труда.
При поддержке Николая Синева и Александра Зверева Сергеев "продавил" через партком конструкторского бюро Кировского разрешение на создание первой опытной центрифуги.
Но в одиночку он бы точно не справился. А потому усилиями все того же Зверева к работе был привлечен Иосиф Фридляндер.
Это имя многое говорит специалистам авиастроения: из сплавов, разработанных Фридляндером, создавались и создаются корпуса и всяческие узлы Ту-16, Ту-95, Ил-86, Ил-96, МиГ-23, Су-30, Су-35, баки ракеты "Протон".
Корпуса центрифуг первого поколения – это его заслуга. Корпуса, которые выдерживали совместное воздействие давления, температуры, излучения.
Состав сплава и технология его получения до сих пор засекречены. Известно только, что называется он "алюминиевый сплав 1960", он же – "сплав В96ц".
Таким было начало истории "иглы" – рождение и становление получились достаточно бурными, но это было только начало.
Первый завод по обогащению урана на центрифужной технологии был построен в Новоуральске 4 октября 1957 года. В тот день, когда весь мир узнал русское слово "Спутник". Про него знали все, а про начало новой эпохи в атомном проекте не только СССР, но и всего прочего мира – только те, кто имел к этому событию непосредственное отношение.
Не стоит забывать, что у урана две ипостаси: он и топливо АЭС, и основа самого страшного оружия. Сравнивая работу по разделению урана при помощи диффузии и при помощи центрифуг самого первого поколения, Средмаш уже все понял: на одинаковый объем урана-235 центрифуги требовали электроэнергии в ... 17 раз меньше, чем "сеточки". Соответственно диффузионный завод Д-1 был реорганизован в то, что нынче известно, как Уральский электрохимический комбинат.
Гарантии на первое поколение центрифуг были недолгими – три года. Первый блин, впрочем, комом не оказался – они проработали больше 10 лет, поскольку по ходу эксплуатации выяснилось, что самая большая страшилка центрифугам вовсе не грозит. А боялись ... сейсмических колебаний. Но выяснилось, что вращающаяся с бешенной скоростью "игла" к колебаниям устойчива так же, как устойчив к тряске гироскоп при стабильной скорости вращения. И теперь "бочоночки" центрифуг высотой меньше метра стоят в три яруса и крутятся, крутятся, крутятся... Все мы неоднократно наблюдали в документальных репортажах целые «проспекты» центрифуг. Кое-где для наблюдения за ними и их обслуживания специалисты ездят на велосипедах.
Попробуем представить, что это такое –1500 оборотов в секунду. Стиральные машины с пылесосами есть у всех. Число оборотов у них – 1 200 - 1 500 оборотов в минуту. Сколько времени они при таких оборотах могут непрерывно работать – несколько часов.
А "игла" центрифуги – в 60 раз быстрее и 30 лет без единой остановки. Поломки? Да, имеют место – 0,1% в год, такова статистика. Из тысячи центрифуг одна за год может аварийно отключиться. Подшипников нет, "гореть" нечему.
Поколения центрифуг обновлялись, в среднем, раз в 8 лет. Немножко увеличивалась скорость вращения, немножко улучшался материал корпуса и т.д. Эти "немножко" за минувшие годы снизили энергозатраты на единицу работы разделения в 10 раз, а вот производительность центрифуг – выросла, причем в 14 раз.
"Уходят" поколения центрифуг неторопливо: в 2009 году, к примеру, выключили центрифуги пятого поколения, которые были раскручены в 1979 году.
Виктор Сергеев, отладив работу центрифуг для урана, и не думал сидеть, сложа руки. Под его руководством созданы центрифуги для разделения изотопов самых разных химических элементов, Виктор Иванович продолжал работу до своего ухода из жизни в 2008 году.
Люди этого поколения и этой закалки с работы уходили тогда же, когда и в мир иной...
И еще о Викторе Сергееве. Росатом продал Китаю завод по обогащению: в 2008 году в Шэньси за 1 миллиард долларов поставили каскады центрифуг 6-го поколения.
Как китайцы умеют копировать технологии – известно: что угодно, быстро и дешевле оригинала. Российские центрифуги разобрали до последнего винтика – но никакой информации о том, что китайцы справились с копированием технологии их изготовления, по-прежнему нет.
А в России Росатом в 2015 году запустил центрифуги 9-го поколения, после чего настало время для НИОКР поколения № 10.
