CC BY
139
2013 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Сер. 4. Вып. 2
ИСТОРИЯ НАУКИ
УДК 546.791 С. А. Бартенев
УЧЁНЫЕ ХИМФАКА ЛГУ В АТОМНОМ ПРОЕКТЕ СССР
Атомный проект СССР (название — по аналогии с американским Манхеттенским проектом) — это комплекс работ по созданию атомной бомбы и атомной промышленности. Большой вклад в выполнение этих работ внесли учёные химфака Ленинградского государственного университета.
Работы по Атомному проекту начались в СССР в конце 1942 г. Поначалу они шли вяло: была война, до победы было ещё далеко, и все усилия страны были направлены на нужды фронта. Кроме того, многие учёные сомневались в возможности достичь положительных результатов (создать атомную бомбу) в ближайшее время. Ситуация стала меняться в следующем году, когда к работе подключился И. В. Курчатов. В мае 1944 г. он в письме к И. В. Сталину писал: «Распространённое у нас мнение о технической невозможности решения урановой проблемы неверно», и дальше аргументировал этот тезис [1].
Принципиально всё изменилось после американской бомбардировки Хиросимы и Нагасаки 6 и 9 августа 1945 г. Двадцатого августа для руководства стратегическими вопросами в области атомной энергии при Совнаркоме создаётся специальный комитет во главе с Л. П. Берией. Для координации научно-исследовательских, конструкторских, проектных и строительных работ в этой области создаётся Первое главное управление (ПГУ) во главе с Б.Л.Ванниковым, который в 1942-1945 гг. был наркомом боеприпасов, и этим же постановлением Правительства был образован «мозговой центр» — Технический совет (также во главе с Б.Л.Ванниковым), который 6 апреля 1946 г. был преобразован в Научно-технический совет, в состав которого вошёл В. Г. Хлопин. В сентябре 1945 г. вышло постановление НТС ПГУ о привлечении ряда научных учреждений, отдельных учёных и специалистов к работам по проблеме использования атомной энергии. В число учреждений попал РИАН (Радиевый институт Академии наук, Ленинград), среди «отдельных» учёных был приглашён профессор Б. П. Никольский. Этим же постановлением был создан ряд комиссий для координации научно-исследовательских работ. Комиссию по изучению плутония возглавил В. Г. Хло-пин, его заместителем назначен Б. А. Никитин.
Сергей Александрович Бартенев — кандидат технических наук, Радиевый институт им. В. Г. Хло-пина; e-mail: [email protected], [email protected] © С. А. Бартенев, 2013
Постановлением специального комитета В. Г. Хлопину как директору РИАНа были поручены:
1. Проверка и испытание методов выделения плутония с носителями;
2. Изучение химии плутония;
3. Разработка технологической схемы выделения плутония из урана;
4. Выдача технологических данных заводу № 817 к 01 июля 1946 г.
Дату 5 декабря 1945 г. В. Г. Хлопин считал датой начала работ по созданию технологии выделения плутония из облучённого урана, а уже через пять месяцев 29 апреля следующего года состоялся выпуск «Технологической части проектного задания завода Б» (завод Б — радиохимический завод). Затем 8 августа 1946 г. НТС ПГУ утвердил проектное задание на строительство радиохимического завода.
В результате выполненных в РИАНе работ по предложению и под руководством В. Г. Хлопина была создана ацетатно-фторидная схема выделения и очистки урана и плутония из азотнокислых растворов (разработчики от химфака А. П. Рат-нер, В.И.Гребенщикова). В качестве варианта, альтернативного фторидному окончанию процесса, Б. А. Никитиным была предложена экстракция диэтиловым эфиром (В. М. Вдовенко, Т. В. Ковалёва).
Следует иметь в виду, что практически вся работа велась на имитаторах (тории и нептунии), так как плутоний имелся только в импульсных количествах и производился на циклотронах РИАНа и ФИЗТЕХа. Процесс растворения урановых блоков в азотной кислоте был разработан в ЛГУ Б.П.Никольским, В.И.Парамоновой и П. М. Чулковым.
К работам по Атомному проекту было привлечено 16 учёных химфака ЛГУ:
Борис Петрович Никольский (1900-1990) — академик АН СССР, заведующий кафедрой физической химии (1939-1990);
Виталий Григорьевич Хлопин (1890-1950) — академик АН СССР, основатель и первый заведующий кафедрой радиохимии (1945-1949), директор РИАНа (1939-1950);
Виктор Михайлович Вдовенко (1907-1972) — член-корреспондент АН СССР, профессор кафедры радиохимии, директор РИАНа (1953-1972);
Борис Александрович Никитин (1906-1952) — член-корреспондент АН СССР, профессор кафедры радиохимии, директор РИАНа (1950-1952);
Иосиф Евсеевич Старик (1902-1962) — член-корреспондент АН СССР, заведующий кафедрой радиохимии (1949-1958);
Андрей Николаевич Мурин (1910-1990) — доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой радиохимии (1958-1988);
Георгий Васильевич Горшков (1904-1983) — профессор, доктор технических наук, заведующий лабораторией, работал в РИАНе с 1931 по 1973 г.;
Давид Моисеевич Зив (1915-1967) — профессор кафедры радиохимии, заведующий лабораторией, работал в РИАНе с 1931 по 1967 г.;
Валентина Ивановна Парамонова (1903-1984) — профессор кафедры неорганической химии, заведующая лабораторией в РИАНе;
Александр Петрович Ратнер (1906-1956) — профессор кафедры радиохимии; работал в РИАНе с 1927 по 1956 г.;
Вера Ильинична Гребенщикова (1908-1986) — доцент химического факультета, доктор химических наук, заведующая лабораторией, работала в РИАНе с 1933 по 1975 г.;
Татьяна Васильевна Ковалёва (1913-1999) — кандидат химических наук, ассистент химического факультета, работала в РИАНе с 1946 по 1983 г.;
Анна Моисеевна Гуревич (1906-1982) — доктор химических наук, старший научный сотрудник, в РИАН с 1943 по 1976 г.;
Георгий Рудольфович Рик (1914-1974) — доктор физико-математических наук, доцент кафедры радиохимии, работал в РИАНе с 1938 по 1956 г., позже работал в Агрофизическом институте (1956-1974);
Александр Матвеевич Трофимов (1913-1981) — кандидат химических наук, доцент кафедры радиохимии, заведующий лабораторией в РИАНе;
Пётр Михайлович Чулков (1910-1985) — кандидат технических наук, сотрудник университета с 1945 по 1949 г., позже старший научный сотрудник на комбинате № 817 (1949-1952), затем в ЛИПАНе СССР (1952-1985), Москва.
Сейчас много говорят и пишут о роли разведки в выполнении Атомного проекта. Для радиохимических работ наибольшую ценность представляли разведданные по химии плутония, так как (см. сказанное выше) его в наличии практически не было. Следует отметить, что все данные разведки по вопросам радиохимической переработки урана поступали к Б. А. Никитину, который их обрабатывал и на основе этих материалов готовил аналитические справки для руководства ПГУ.
Сложность выполненной задачи по созданию радиохимической технологии не имела аналогов в химической практике: из тонны урана нужно было выделить около 100 г плутония и очистить от продуктов деления более чем в 200 000 раз. В первых порциях облучённого урана содержалось всего 70 г плутония на тонну урана. Степень накопления плутония и очистки урана и плутония от радионуклидов, так же как состав этих радионуклидов, в большой степени основывались на расчётах, выполненных Б. А. Никитиным и А. Н. Муриным. Анализ радиоактивных элементов проводил Г. Р. Рик, один из создателей первого в нашей стране масс-спектрометра.
Для исключения транспортировки облучённого урана из Москвы в Ленинград, по предложению И. В. Курчатова, проверка схемы на облучённых урановых блоках проводилась в НИИ-9 в Москве на специально созданной установке (установка № 5). Однако конструкция установки, разработанная в НИИ-9, оказалась неудачной, и эксперименты прошли неудовлетворительно. Поэтому, по рекомендации РИАНа, установка была переделана, и для выполнения работ на установке по приказу Б. Л. Ванникова в НИИ-9 был создан специальный отдел, начальником которого был назначен Б. А. Никитин, а его заместителями А. П.Ратнер, З.В.Ершова (сотрудница НИИ-9) и Б.П.Никольский [2]. В результате на установке были проверены и осадительная и экстракционная схема. При этом, по мнению А. П. Ратнера, фторидное окончание осадительной схемы требовало доработки, что и было проведено уже на комбинате в ходе пусковых работ радиохимического завода.
Для обеспечения предстоящих пусковых работ на заводе потребовалось обучение будущих сотрудников завода. Это обучение проводили учёные химфака. Лекции читали Б.А.Никитин, И. Е. Старик, А. П.Ратнер, Г.В.Горшков, Г. Р. Рик, а практические занятия вели А. П. Ратнер и В. И. Гребенщикова. При выполнении работ по Атомному проекту потребовался также расчёт защиты персонала от ионизирующего излучения. Эти расчёты для радиохимического завода были выполнены Г. В. Горшковым. С целью подготовки специалистов-радиохимиков для научно-исследовательских учреждений и промышленных предприятий на химическом факультете ЛГУ в 1945 г. была создана первая в СССР кафедра радиохимии, заведующим которой стал В. Г. Хлопин.
Пуск радиохимического завода состоялся 1 марта 1949 г. Руководителем пусковой бригады приказом Ванникова был назначен Б. А. Никитин, его заместителями Б. П. Никольский, А. П. Ратнер, А. П. Виноградов (академик с 1953 г., директор ГЕОХИ,
Москва), а позднее и М.В.Угрюмов (начальник установки № 5 в НИИ-9). В состав пусковой бригады вошли также Г. В. Горшков, отвечавший за организацию защиты от излучения, и В. М. Вдовенко, отвечавший за работу экстракционного узла. К моменту пуска на комбинат приехал И. Е. Старик, который занялся в ЦЗЛ доводкой фторидного узла схемы, вызывавшего большие трудности и при пуске, и после пуска завода.
Пуск завода на предприятии Комбината № 817, ныне хорошо известном предприятии «Маяк» (г. Озёрск), проходил не без осложнений. На первой операции на выходе вместо плутония пошёл пустой раствор. Как рассказывал Б. П. Никольский, генералы, присутствующие на пуске, обозвали всех учёных «космополитами» (самое ругательное слово в то время). Нужно было найти, куда делся плутоний. Эту работу (по согласованию с И.В.Курчатовым) выполнил Г.В.Горшков. Он применил метод, которым пользовался в довоенное время при поиске радиоактивных руд (обнаружение альфа-радионуклида с помощью детектора на основе ВЕ3 по альфа-н реакции). Плутоний оказался осевшим на стенках аппарата вместе с продуктами коррозии. Затем Б. А. Никитин, А. П. Ратнер вместе с сотрудниками завода счищали осадок плутония скребками со стенок аппарата. Выполнение этой работы было связано с высоким радиационным облучением работающих, что явилось одной из причин (возможно, главной причиной) их преждевременного ухода из жизни. После пуска завода А. П. Ратнер был назначен научным руководителем радиохимического завода, а Б. А. Никитин заместителем научного руководителя комбината по химии — И. В. Курчатова.
Ввод в строй радиохимического завода обеспечил выпуск плутония для атомной бомбы. Но для изготовления бомбы был нужен ещё ядерный взрыватель — источник нейтронов, «нейтронный запал». Таким источником нейтронов в то время служил изотоп полония-210, производимый из висмута, точнее Ро/Ве источник. Учёные химфака принимали непосредственное участие в разработке технологии получения полония и его наработке. Эта задача была поручена Д. М. Зиву, и совместно с сотрудниками НИИ-9 прекрасно выполнена.
В 1947 г. В. Г. Хлопину было дано задание разработать метод определения коэффициента полезного использования взрыва (КПИ). Такой метод был разработан на основе измерения соотношения изотопов непрореагировавшего плутония и некоторых осколков деления ^г95, №95, Се144). Куратором этой работы был И. Е. Старик.
Испытание первой советской атомной бомбы прошло 29 августа 1949 г. на Семипалатинском полигоне. Среди участников испытаний были и учёные химфака: Б. А. Никитин, И. Е. Старик, Г. В. Горшков и Д. М. Зив. В более поздних испытаниях атомного оружия принимал участие В. М. Вдовенко. После первого испытания состоялось совещание, на котором присутствовали И. В. Курчатов, Ю. Б. Харитон, Я. Б. Зельдович, И. Е. Старик, Ю. М. Толмачёв и ещё несколько человек. На этом совещании И. Е. Старик сделал сообщение о мощности проведённого взрыва, рассчитанной по разработанной в РИАНе методике: мощность взрыва составила 22 кт.
Так закончился первый этап Атомного проекта и была ликвидирована монополия США на владение атомным оружием: у Советского Союза появилась своя атомная бомба.
Дальше начался процесс совершенствования технологии получения плутония, где учёные химфака продолжили свою работу вплоть до момента прекращения производства оружейного плутония. Первое серьёзное усовершенствование схемы произошло в 1951 г., когда по предложению Б. В. Громова, первого главного инженера радиохимического завода в «Челябинске-40», и А. П. Ратнера ацетатно-фторидная схема была заменена на цельноацетатную. Был исключён очень неприятный во всех отношениях
фторидный узел. Что касается экстракционного узла, то от него пришлось отказаться из-за пожароопасности эфира, хотя по этой схеме получался наиболее чистый конечный продукт. Цельноацетатная схема представлена в табл. 1.
Таблица 1
Цельноацетатная схема переработки блоков (плутониевая ветка)
Растворение урановых блоков Окислительное ацетатное осаждение урана и плутония. (Очистка урана и плутония от продуктов деления). Два последовательных цикла Восстановительное ацетатное осаждение урана. (Разделение урана и плутония) Щелочное осаждение плутония. (Концентрирование плутония) Марганцевая очистка плутония
Окислительное осаждение Восстановительное осаждение Щелочное осаждение Аффинаж плутония Оксалатное осаждение плутония Прокалка ок-салата
Эта схема переработки урановых блоков (с её усовершенствованием) просуществовала до 1964 г., когда на смену ей пришла осадительно-сорбционная схема.
Усовершенствование схемы заключалось в исключении одного окислительного ацетатного осаждения за счёт улучшения процесса очистки урана и плутония от циркония и ниобия, которое достигалось при введении в поступающий на окислительное осаждение раствор перекиси водорода. Процесс «перекисного» осаждения диацетата урана и плутония был предложен А. П. Ратнером, а его внедрение в производство проходило в 1958 г. уже под руководством Б. П. Никольского и М. В. Посвольского, поскольку к тому времени А. П. Ратнера уже не стало. Операции марганцевой очистки плутония, аффинажа плутония, его оксалатного осаждения и прокалки оксалата разрабатывались без участия сотрудников химфака.
В 1950 г. умер В. Г. Хлопин, а в 1952 г. не стало и Б. А. Никитина. Директором РИА-На был назначен В. М. Вдовенко, который принял эту должность после отказа Б. П. Никольского занять её. Как рассказывал сам Борис Петрович, после смерти Б. А. Никитина его вызвал к себе А. В. Топчиев, академик-секретарь президиума АН СССР, и сказал: «Борис Петрович, готовьтесь принять РИАН». Борис Петрович ответил так: «С моей точки зрения у директора института есть три основные обязанности: научное руководство, научно-организационная работа и административная работа. Ни первое, ни второе меня не смущают. Что же касается третьего, то у меня слишком маленький опыт административной работы». Топчиев был огорчён таким ответом, но с пониманием отнёсся к нему.
Заведующим кафедрой радиохимии стал И. Е. Старик, а Б. П. Никольский был назначен на должность заместителя И. В. Курчатова по химии на челябинском комбинате. Соответствующее распоряжение Правительства было подписано 9 января 1953 г. [3].
Между тем к 1952 г. на комбинате сложилась непростая обстановка. Когда в 1949 г. пускали радиохимический завод (завод Б), на комбинате был один ядерный реактор, облучённый уран из которого поступал на переработку. К 1952 г. реакторов стало пять, а радиохимический завод оставался один. Путём всяческих усовершенствований, переделок и большой реконструкции в 1951 г. производительность завода удалось повысить почти в три раза, но всё равно он работал на пределе своих возможностей. Кроме того, поскольку все переделки производились без остановки производства, то они сопровождались разливами радиоактивных растворов, загрязнением помещений и облучением
персонала. За первое полугодие 1952 г. от 30 до 90 Р получили 1330 сотрудников завода, а свыше 90 Р — 65. По медицинским показаниям весь состав ИТР, работавший с начала пуска, был выведен с работы во вредных условиях. Эти данные взяты из письма директора комбината Б. Г. Музрукова на имя Л. П. Берии [4]. А заканчивалось письмо словами: «В 1953 году даже после реконструкции завода производственной мощности будет не хватать. Просим срочно решить вопрос о строительстве нового завода. 15 августа 1952 года». Берия отреагировал мгновенно. Уже через два-три дня он дал поручение И. В. Курчатову и Е. П. Славскому в трёхнедельный срок представить свои предложения по строительству завода.
Затем 9 сентября 1952 г. было принято постановление СМ СССР «О строительстве завода-дублёра на Комбинате № 817 с окончанием строительства во второй половине 1954 года». Позднее срок окончания строительства был сдвинут на год (до конца 1955 г.). Встал вопрос о выборе технологической схемы: либо действующая осадитель-ная, либо, к тому времени уже в определённой степени проработанная, экстракционная. Этот вопрос решался на заседании НТС ПГУ под председательством Е. П. Славского. НТС высказался в поддержку экстракционной схемы, но против высказался Б. П. Никольский. По его мнению, мы к этому не были готовы. А через два или три дня вышел приказ о принятии для завода дублёра (ДБ) осадительной схемы. Насколько правильным было это решение, показала жизнь: даже почти через 10 лет, в 60-е гг., когда внедрялась экстракционная технология, много трудностей пришлось преодолеть, прежде чем она заработала нормально!
Челябинская авария 1957 г. задержала пуск завода на два года, и он состоялся только летом 1959 г. Новый завод существенно отличался от своего предшественника по производительности (8000 кг урана вместо 1250 кг), компоновке, оборудованию, радиационной защите и оснащению КИПом. С самого начала работы завода было предусмотрено введение «перекисного» ацетатного осаждения. Кроме того, к моменту пуска завода под руководством Б. П. Никольского было разработано растворение урана в азотной кислоте с применением поддува кислорода, позволяющего более чем в два раза сократить расход азотной кислоты на растворение и исключить (или резко сократить) выделение оксидов азота. О принципиальной возможности осуществления такого процесса было сообщено в одном из докладов на первой Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии. Под руководством Б. П. Никольского этот процесс был в 1962 г. внедрён в производство.
При всех достоинствах завода дублёра (ДБ), о которых уже говорилось выше, оставался один участок, который требовал корректировки. Это был участок сорбции йода в узле растворения урановых блоков. Замена сорбционных колонн в процессе работы завода сопровождалась серьёзным облучением персонала. Вопрос о «йодных колоннах» обсуждался на НТС РИАНа. Единственным радикальным способом снижения облучения могло быть увеличение времени выдержки блоков после их извлечения из ядерного реактора перед радиохимической переработкой. Именно с таким предложением и выступил на заседании НТС Б. П. Никольский, что вызвало категорическое возражение представителей проектного института, считавших такую операцию неприемлемой. Тем не менее, министерство поддержало точку зрения Бориса Петровича, и срок выдержки блоков был увеличен в полтора раза.
В середине 60-х гг. в технологию переработки стандартных урановых блоков было внесено одно из самых существенных изменений. Под руководством Б. П. Никольского и В.И.Парамоновой был разработан сорбционный аффинаж плутония (табл. 2). Внедрением этого процесса на челябинском комбинате руководила В. И. Парамонова.
Внедрение сорбционного аффинажа плутония позволило:
— резко сократить производственный цикл,
— повысить производительность завода,
— улучшить качество конечных продуктов за счёт повышения степени очистки,
— сократить объём отходов,
— уменьшить расход реагентов,
— получить большой экономический эффект,
— исключить необходимость строительства новых заводов.
Таблица 2
Осадительно-сорбционная схема переработки блоков. Плутониевая ветка
Растворение Окислительное ацетатное Восстанови- Щелочное Марганцевая
урановых осаждение урана тельное осаждение очистка
блоков и плутония. (Очистка урана и плутония от продуктов деления) ацетатное осаждение урана. (Разделение урана и плутония) плутония. (Концентрирование плутония) плутония
Сорбционный аффинаж плутония. Два цикла Оксалатное Прокалка ок-
осаждение салата
плутония
Выполнение этих работ потребовало создания новых радиационно и химически устойчивых сорбентов, обладающих высоким сродством к плутонию, и организации синтеза этих сорбентов, испытания их сначала в лаборатории, а потом на специально созданной полупромышленной установке на заводе.
Такими сорбентами оказались смолы нового типа — винилпиридиновые аниониты. В этом вопросе мы намного опередили заграницу. Внедрение сорбционного аффинажа потребовало разработки метода удаления из раствора кремнекислоты, которая вызывала забивание сорбционных колонн. В лаборатории В. И. Парамоновой такой метод был разработан с применением флокулянтов, в частности, полиоксиэтилена. Практически эти исследования положили начало новому научному направлению — применению фло-кулянтов в радиохимической технологии.
На мой взгляд, четыре фактора обеспечили успех сорбционных работ и внедрение их на комбинате: научный авторитет Б. П. Никольского, организаторские способности В. И. Парамоновой, доброжелательность и искренний интерес к работе руководства завода и хорошая профессиональная подготовка сотрудников наших лабораторий. После ПО «Маяк» сорбционный аффинаж плутония был внедрён на Томском (СХК) и Красноярском (ГХК) комбинатах.
Последняя работа в рамках Атомного проекта, выполненная учёными химфака, была связана с «балансовыми операциями». Суть работы заключалась в разрешении спора между физиками-реакторщиками и радиохимиками комбината ПО «Маяк». Физики, согласно своим расчётам, считали, что они выдают плутония больше, чем химики получают его на выходе, т. е. в процессе радиохимической переработки блоков происходит потеря плутония.
Под руководством Б. П. Никольского сотрудниками Радиевого института был проведён тщательный анализ всех продуктов переработки блоков, и никаких потерь
плутония выявлено не было. Количество плутония в исходном растворе совпадало с суммарным его количеством, обнаруженным в продуктах переработки. Таким образом, вопрос был решён.
В разработке экстракционной части схемы учёные химфака участия не принимали, но потребовалась определённая доделка сорбционного узла применительно к новым условиям, так как аффинажные операции плутония оставались сорбционными, что выполнили сотрудники лаборатории В. И. Парамоновой.
В 1972 г. Радиевый институт был назначен головной организацией по проблеме переработки стандартных урановых блоков. Для координации работ по этим вопросам был создан координационный научно-технический совет (КНТС). В состав КНТС вошли представители комбинатов, научно-исследовательских и проектных организаций. Председателем совета был назначен Б. П. Никольский.
Результаты названных выше работ были высоко оценены правительством: В. Г. Хло-пин стал Героем Социалистического Труда. В. Г. Хлопин, Б. А. Никитин, И. Е. Старик, А. П. Ратнер, Б. П. Никольский, Г. В. Горшков, Д. М. Зив — лауреатами Сталинской премии.
В. И. Гребенщикова, А. М. Гуревич, Д. М. Зив, Б. П. Никольский и В. И. Парамонова были удостоены Ленинской премии. Ордена и медали получили и другие участники проекта.
Позднее за большой вклад в развитие науки Б. П. Никольскому было присвоено звание Героя Социалистического Труда.
Литература
1. Атомный проект СССР. Документы и материалы / под ред. Л. Д. Рябева. М.: Изд-во МИФИ, 2002. Т. 1, ч. II. С. 74-75.
2. Труды Радиевого института. 2007. Т. XIII. С. 134.
3. Распоряжение СМ СССР № 534 рс/оп от 9 января 1953 г.
4. Атомный проект СССР. Документы и материалы. Атомная бомба / под ред. Л. Д. Рябе-ва. Саров, 2003. Т. 5.
Статья поступила в редакцию 21 сентября 2012 г.
