Суперзаводы и комбинаты для создания ядерного оружия
«Супероружие» не могло возникнуть ранее «супер-сооружений» и «супер-комбинатов» для его производства. Проблема состояла в разделении изотопов урана – надо было отделить ядерное горючее – уран-235 от урана 238 – для этого требовались огромные производственные мощности с новыми машинами, поскольку обычными химическими методами разделение выполнить невозможно. И требовались крупные реакторные установки с мощностями порядка сотен МВт для получения оружейного плутония из природного урана. В Ок-Ридже (штат Тенесси) были возведен завод К-25 по обогащению урана, реакторная установка Х10 по производству плутония и крупный ускоритель на объекте Y12. В Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико) возвели «атомный город» с лабораториями и заводами по производству атомного оружия. В штате Нью-Мексико был создан и первый полигон Аламогордо для испытания атомного оружия, – вначале он, как и первое испытание (устройства «Штучка», – Gadget) назывался «Тринити» («троица» – были созданы 3 атомных бомбы, которые испытали в Аламогордо и на двух японских городах). В городе Хэнфорде (штат Вашингтон, берег реки Колумбия) построили мощный реактор для производства плутония, Первые атомные бомбы были созданы только тогда, когда эти предприятия были построены и смогли «наработать» необходимое для бомб количество расщепляющих материалов – плутония-239 и оружейного урана-235. И когда в лабораториях Лос-Аламоса отработали и создали конструкции первых атомных устройств «Штучка» (Gadget), бомбы «Малыш» (Little Boy) и «Толстяк» (Fat Man). Главным был процесс наработки расщепляющихся материалов, – остальные процессы тоже были сложны, но они потребовали меньшего времени и меньших промышленных мощностей).
Обогащённый до концентрации не менее 90 % изотопа урана-235 (т. е. примерно в 129 раз по сравнению с природным ураном) являлся оружейным ураном для атомных бомб. А обогащённый до 25–30 % уран используется в реакторах на быстрых нейтронах, которые способны воспроизводить и размножать ядерное топливо для использования его в подобных реакторах. Менее обогащённый до 3–5 % уран позже стали использовать в реакторах на медленных (тепловых) нейтронах для получения плутония-239. Уран с таким низким обогащением можно использовать в реакторах с замедлителем обычной, а не тяжёлой водой. На первых этапах в реакторах на медленных нейтронах для получения плутония-239 использовали природный, не обогащённый уран и замедлитель нейтронов из чистого графита. Замедленные графитом нейтроны отражались и или поглощались ядрами урана-238 с превращением «по цепочке» в плутоний-239, или делили ядра урана-235, поддерживая течение цепной ядерной реакции с большим выделением нейтронов. Поэтому в реакторе с замедлителем оказалось возможным получить цепную ядерную реакцию при достаточном количестве урана и замедлителя.
Американцы вели работу по нескольким направлениям, не считаясь с затратами. Лабораторные установки давали микроскопические количества урана-235, а для создания атомных бомб требовались огромные мощности обогатительных заводов. Например, чтобы собрать нужное для бомбы количество Урана-235 пришлось создать огромный ускоритель на заводе Y-12 в Ок-Ридже (Oak Ridge), штат Теннесси. На этом заводе для установки «Каллютрон» (Culutron) электромагнитного разделения изотопов урана потребовалось 14,7 тысяч тонн медной проволоки, но получить такие «лимиты» в условиях войны не удалось. Тогда решили закупить и сделать проволоку примерно из такого же количества серебра, поскольку Казначейство располагало несколькими десятками тысяч тонн. Для этого взяли огромный кредит в ФРС США на сумму 300 млн. долларов, – и их ФРС выделила. В «Каллютроне» разделение изотопов производилось путём отклонения ионизированных молекул в магнитном поле. Более лёгкие молекулы с ураном-235 отклонялись по траекториям с другим радиусом и улавливались мишенью. На «Каллютроне» после ввода его на полную мощность производили 400 г оружейного урана-235 в сутки. Позже электромагнитную технологию использовали для получения изотопов других элементов, – в первую очередь, ЛИТИЯ-6 для термоядерного оружия. «Каллютрон» создал Э. О. Лоуренс – изобретатель циклотрона, – он первым в мире превратил «линейные» ускорители элементарных частиц в ускорители с замкнутой круговой, овальной или спиральной катушкой из магнитов, позволившей ускорять частицы до высоких энергий при движении «по кругу». Причём чем большей была эта «катушка» и чем сильнее в ней магнитное поле, – тем до больших энергий удавалось ускорять частицы. Разновидности таких огромных ускорителей использовали и для исследовательских, и для производственных целей.
Операторы Calutron на заводе Y-12 в Ок-Ридже по обогащению урана (США). Глэдис Оуэнс, сидящая справа на переднем плане, не знала, чем она занимается на работе (здесь она работала 8 месяцев), до того, как увидела эту фотографию 50 лет спустя на общественной выставке
Циклотрон Calutron Лоуренса на заводе Y-12 в Ок-Ридже, штат Тенесси, – на его катушки ушло 14 700 тонн серебра
Методом газовой диффузии обогащённый уран для бомбы «Малыш» получили на заводе К-25, но первоначальное обогащение всего на уровне 7 % после запуска этого завода оказалось недостаточным, – надо было обогатить уран до 90–92 % содержания Урана-235. Для первой атомной бомбы этот процент обогащения получили на «Каллютроне». Такая технология оказалась слишком долгой и затратной (особенно по затратам электроэнергии), и для массового производства атомных бомб далее не применялась. Путём наращивания дополнительных каскадов машин газодиффузионную технологию «довели» до выхода на них оружейного урана-235 как в США, так и в СССР (с отставанием на 5 лет – ниже об этом рассказано).
Завод К-25 в Ок-Ридже был первым крупным заводом по обогащению урана. Его строительство началось в июне 1943 года, и в начале 1945 уже было завершено. К этому времени К-25 стал крупнейшим сооружением мира и самым дорогим сооружением в рамках Манхэттенского проекта. Расходы только на строительство составили 512 миллионов долларов. К огромным по масштабам строительным работам привлекли одновременно множество строительных фирм. Сооружение выполнено в форме большой буквы U длиной 800 м и шириной 300 м. Таким образом, по занимаемой площади К-25 превышает Пентагон примерно в 2 раза (площадь Пентагона 116 тыс. кв м, а каждая из сторон его фасада: 281 м). В 1954 году Ок-Ридж потреблял 10 % электроэнергии, вырабатываемой в США. Строительство начали раньше, чем разработали саму технологию газовой диффузии. В 1944 году в здании работало более 25 тыс. человек. Большая часть из них не знала, над чем они работают. Чтобы разместить рабочих в непосредственной близости был сооружён микрорайон Happy Valley, в котором сначала 15 000 рабочих жили в жилищных вагончиках. Производство прекратили в 1987 году, а в 2010 году здание разобрали. После дезактивации только небольшой, наименее заражённый участок здания в основании U сохранили в качестве музея. Фото завода, Ок-Риджа и сноса завода – см. https://specnazspn.livejournal.com/1647131.html.
Корпуса завода К-25 в Ок-Ридже (на пике работ: 100 000 рабочих)
Завод К-25 с корпусами «километровой» длины, в которых на нескольких этажах установлены многие тысячи газодиффузионных машин
Главный диспетчерский пост завода К-25 в Ок-Ридже
Ок-Ридж 21 апреля 1959 года – город, возникший на месте полупустыни
Первый американский экспериментальный уран-графитовый ядерный реактор «Чикагская поленница» (Chicago Pile-1, CP-1) Энрико Ферми запустил и первым в мире получил на нём цепную ядерную реакцию 2 декабря 1942 года под западными трибунами стадиона «Стат Филд» в Чикаго. Реактор позволил изучить процессы управления реакторными установками. Но перед созданием крупных реакторов американцы в Ок-Ридже возвели ещё один небольшой экспериментальный реактор «Х-10», который достиг критического состояния в ноябре 1943 г. Американцы на нём обнаружили отличие в составе плутония, полученного на ускорителях, от плутония, полученного из реакторов. Оказалось, что различие состояло в разном содержании изотопа плутония-240. Этот изотоп из-за излучения нейтронов, в частности, изменял условия инициирования ядерного заряда, – «пушечная схема» атомной бомбы для плутония не годилась.
При создании крупных реакторных установок для производства плутония серьёзные проблемы возникли и у американцев, и в СССР, но сведения о них тщательно засекретили. Советские и американские реакторы заметно отличались по конструкции: если американские реакторы имели горизонтальную загрузку топливных сборок и тепловых каналов, то советские имели более удачную вертикальную загрузку.
Сам факт существенных конструктивных различий говорит о том, что технологию постройки реакторов не «позаимствовали в США», – её советские учёные разработали самостоятельно. У американцев из-за плотной кладки графитовых блоков и разбухания тепловых каналов от нагрева и ядерных реакций возникли трещины в стенках реакторов, в сборках и протечки теплоносителя (воды), охлаждавших активную зону. Эти аварии приводили к длительным остановкам реакторов для ремонта, к необходимости перекладок сборок и всей активной зоны и к облучению персонала. О проблемах на советских реакторах сказано ниже. Крупные реакторные установки в США возвели в Ханфорде (округ Бентон, штат Вашингтон) – практически весь старый городок выселили, снесли и построили на нём атомный комплекс и новый город.
Первый промышленный реактор В в Хэнфорде-США
«…Экспериментальный реактор Х-10 в Ок-Ридже представлял собой промежуточное звено между самым первым реактором из Чикаго и крупными реакторами, которые конструировались в Хэнфорде. Чикагский реактор генерировал совсем мало энергии – не больше ватта. Х-10 давал уже миллион ватт. Три хэнфордских реактора, обозначенные В, D и F, были созданы и эксплуатировались фирмой Дюпон. Они были рассчитаны на 250 миллионов ватт. Каждый реактор состоял из графитового цилиндра размером 8,5 на 11 метров, весил около 1200 тонн и содержал 2004 равноудаленных алюминиевых трубки, просверленные по всей длине. В этих трубах помещались урановые элементы – цилиндры диаметром около 2,5 см, заключенные в алюминиевую оболочку. В трубы накачивалась охлаждающая вода. Она обтекала урановые элементы со скоростью около 280 000 литров в минуту. Реактор предназначался исключительно для производства плутония – никаких попыток улавливания тепловой энергии, выделяемой реактором, и преобразования ее в электричество не предпринималось…» (См. Бэггот, см. [25] с. 169).
Промышленный реактор В фирмы Дюпон в Хэнфорде. Горизонтально расположенные трубы с тепловыделяющими элементами пронизывают активную зону отражателя из чистого графита. По трубам насосами прокачивается охлаждающая активную зону вода со скоростью 4,67 кубометра в с.
Поначалу реактор В работал нормально. Но затем реакция в нём стала угасать, пока не остановилась совсем. Через некоторое время физику Уиллеру стало ясно, что причиной остановки могли стать продукты распада, которые активно поглощали нейтроны, и реакция гасла.
Когда в 1938 году Ган и Штрассман обнаружили, что в результате бомбардировки урана нейтронами синтезируется барий, они открыли стабильный конечный продукт долгой и сложной серии ядерных реакций. Когда уран-235 захватывает нейтрон, делится нестабильное ядро урана-236. В ходе одной из возможных ядерных реакций получается цирконий (Zr-98), теллур (Те-135) и три нейтрона. Изотоп циркония радиоактивен, из него получается ниобий, а затем молибден. Аналогично радиоактивный изотоп теллура распадается сначала до йода, потом до ксенона, далее – до цезия и, наконец, до бария.
Уиллер решил, что если один из продуктов этих реакций имеет высокое сродство к нейтронам, то он будет ингибировать (тормозить, подавлять) ядерную реакцию, поглощая свободные нейтроны до тех пор, пока их не станет слишком мало и реакция остановится. Чем больше синтезируется «яда», тем сложнее поддерживать производительность реактора. В конечном счете «яд» подавит реакцию и реактор остановится. В апреле 1942 года Уиллер сделал еще некоторые расчеты и пришел к выводу, что самоотравление может стать серьезной проблемой лишь в том случае, если один из промежуточных продуктов реактора имеет сильный «аппетит» на медленные, «термические» нейтроны. Причем интенсивность захвата нейтронов у такого продукта должна быть примерно в 150 раз выше, чем у самого урана-235.
После проверки реактора «В» оказалось, что воды в нем нет. Теперь наиболее очевидной причиной его остановки представлялось самоотравление. Вскоре после полуночи с 27 на 28 сентября работа реактора возобновилась – около полудня он вновь выдавал девять миллионов ватт, а потом реакция снова стала затухать. Это явление, в свою очередь, свидетельствовало, что «яд» также радиоактивен и имеет период полураспада около 11 часов – примерно столько времени понадобилось, чтобы восстановить работу реактора. Уиллер проверил таблицу измеренных значений полураспада и обнаружил ядерного паразита. Это был изотоп ксенона Хе-135 (с периодом полураспада 9,1 часа по современным данным). Позже выяснилось, что он захватывал нейтроны примерно в 4000 раз активнее, чем уран-235! Продукты распада оставались в структуре металла (урана) и не улетучивались (даже если это был газ) – удалить их можно было только при переработке материалов тепловыделяющих сборок. Продукты распада вызывали разбухание топливных сборок и деформации их оболочек.
После того как проблему обнаружили, устранить ее оказалось относительно просто. Разумеется, физику ядерных реакций изменить было невозможно. Реактор в любом случае синтезировал бы ксенон-135 и сам себя отравлял. Решение было в следующем: в реактор понемногу добавляется урановое топливо – в результате при реакции будет гарантированно генерироваться больше нейтронов, чем сможет поглотить ксенон при равновесной концентрации. К счастью, конструкция реактора допускала такие незапланированные доработки. Для просверливания дополнительных трубок требовались бы значительные затраты и остановка реактора. Предусмотрительность Уиллера себя оправдала. Необходимое урановое топливо можно было добавлять в реактор без кардинальных конструкторских изменений. (см. [25] с. 170).
А проблемы с ксеноном-135 и с разбуханием топливных сборок ТВЭЛов остались в качестве «головной боли» при управлении и более совершенными реакторными установками.
В 1949 году в США уже запустили 4 промышленных реактора по наработке оружейного плутония с мощностью 250 МВт, причём два из них были пущены в сентябре и ноябре 1944 года, а один – в начале 1945 года. К концу 1949 года на этих реакторах было наработано около 700 кг оружейного плутония, в том числе к концу 1945 года – около 120 кг. Такие «темпы» введения реакторов говорили о том, что США намеревались производить атомные бомбы никак не в единичных экземплярах, а массово. Отметим, что СССР к концу 1949 году вряд ли располагал количеством плутония, заметно превышающим 10 кг (Андрюшин, см. [25], с. 38.), в частности, и потому, что к этому сроку в СССР было изготовлено только две атомные бомбы (одну взорвали 29 августа).