Завод по электромагнитному разделению изотопов (База N 9)

Под научным руководством Арцимовича был построен большой завод электромагнитного разделения. Однако это оказался очень дорогой процесс по сравнению с диффузией. И он не пошел для разделения изотопов урана. Но любопытно оказалось вот что.

Возникла необходимость в получении лития шестого , как сырья для изготовления трития для водородной бомбы. И шестерка, кроме того, нужна была и для самих изделий. Потому что и там много уже нарабатывалось трития в момент самого процесса, развития процесса. Поэтому важно было организовать его производство. Его производство было разработано Константиновым и Гаевым . И тоже поначалу не получался конечный продукт. И вот поначалу дообогащение его для первого случая делали электромагнитным методом на том электромагнитном заводе.

Источник: Книга "творцы ядерного века. И.Н. Головин"

Пока строилось здание, Арцимович заговорил о заводе по электромагнитному разделению изотопов . Но заговорил, не вовлекая нас - меня, Морозова, Щепкина, других научных сотрудников, в проекти-рование и обдумывание его. Это он решил с честолюбивым энтузиастом, инженером Д.В. Ефремовым . Возможно, по шпионской сети узнали, что американцы сделали в Ок-Ридже многокамерные магниты. Но более детального сообщения не было. И Ефремов дал "решение" - многокамерные, многоэтажные магниты. Для упражнения решил построить четырехкамерный магнит - "пятерку" с вертикально расположенным ярмом и двумя этажами камер. Придя к нам на стройку, Д.В. раскричался: рассердился, что мы строим такой маленький зал, куда "пятерку" уже невозможно поставить. Морозов и Щепкин встретили всю затею в штыки. П.М. пустил в ход свой армейский мат. Щепкин более деликатно протестовал против затеи Ефремова, укоряя Льва Андреевича за его доверчивость Ефремову. Я отнесся к "пятерке" спокойно, быстро с Академпроектом предложив Арцимовичу решение в виде расширения зала на юг с продолжением его вдоль железнодорожного пути и с тем же мостовым краном. Без моего участия Арцимович получил утверждение этого проекта. Тем временем наступило 25 декабря 1946 года, когда И.В. со своей командой пустил первый на нашем континенте ядерный реактор с природным ураном и графитом. Никто из нас, может быть и Лев, ничего об этом не знали. Но о приказе Берии мы были извещены и готовились на Элине показать ему ионный пучок. В этом священнодействии участвовали только Арцимович, Щепкин и Морозов. На обмотку магнита против окошка со стороны приемника положили тюфячок, чтобы именитому гостю было приятно лежать. "Визит-эффекта" не произошло. Все работало исправно, и гость с удовольствием видел таинственную, голубую светящуюся полосу на приемнике, которую передвигали, меняя высокое напряжение, давая ей провалиться в темную щель приемника, собирающего разделенные изотопы. Гость был доволен. И, как передала молва, участники показа получили из обещанной премии первые тридцать тысяч рублей, и Щепкин на полученную часть приобрел себе первую послевоенную замечательную автомашину, предшественницу "Победы" - "Москвич", с которой играл несколько лет, к досаде Арцимовича, порой ковыряясь с ней вместо того, чтобы налаживать вакуумную систему "четверки". А Б.Л. Ванников торопил.

В марте 1946 года зал был покрашен, магнит "четверки" изготовлен на "Электросиле". Щепкин добился изготовления вместо задерживающейся [в изготовлении] вакуумной камеры большой медной трубы диаметром 30 см, согнутой в дугу радиусом 80 см, с заглушками на обоих концах и боковым патрубком для вакуумной откачки. Труба выглядела внушительно. Рабочие и инженеры в Подольске постарались сделать важный заказ. К этому времени К.Д. Синельников в УФТИ в Харькове уже сделал диффузионный масляный насос со скоростью откачки 5000 л/с. С.А. Векшинский с Меньшиковым в своем коллективе, превратившемся из лаборатории в Вакуумный институт , изготовил первые термопарные и ионизационные манометры. П.М. с Браверманом проектировал к трубе Щепкина ионный источник с длиной щели 10 см, а я с Дмитруком - приемник, установленный на "вильсоновском" уплотнителе со штангой длиной в полметра, позволяющей "наводить" приемник на фокус ионного пучка.

В апреле мы начали осваивать зал. В его северном конце шел монтаж магнита. В зал еще нельзя было входить через коридор: там работали строители-заключенные, и нам сделали пандус с западной стороны для прохода через одно из окон на высоте около двух метров над землей. К залу с восточной стороны примыкати комнаты. Самую северную занял П.М. Морозов . Следующую за ней отвели под сборочную ионных источников. Затем следовал коридор с примыкающей электрощитовой. В щитовой разместился Арцимович. Далее вдоль стены зала следовала моя комната, где мы поставили токарный станок, трофейный, из Института Кайзера Вильгельма, вместе с фрезерным. Тут же смонтировали вакуумный объем для испытания "вильсонов" приемника. В.В. Жуков в этой же комнате собирал свои ионоскопы для регистрации положения ионного пучка на приемнике. Самая южная комната была отдана Щепкину для вакуумных дел. Южная половина зала была разгорожена фанерными перегородками выше роста человека для конструкторов и прочих сотрудников отдела, в том числе прикомандированной к нам группы ВЭИ во главе с Явлинским, занятой электрическими системами разделительной установки.

"Четверка" была смонтирована быстро, и летом 1947 года на ней началась битва за ионный ток. В подвале под залом разместили механическую мастерскую, и поставили работу уже так, чтобы ежедневно можно было получать новый ионный источник. Арцимович и Морозов сами работали за пультом. Но ток оставался 30-40 миллиампер на основную линию урана. Заветный, премируемый ампер оставался недостижимой мечтой.

К концу лета строители закончили все здание и ушли. Мы развертывали работы. Арцимович пригласил из ЛФТИ С.Ю. Лукьянова для разработки безаберрационной фокусировки ионных пучков. Непосредственным исполняющим у него был шустрый Коробочкин , подвергавшийся нападкам Максимова. У Морозова появился Б.Н. Маков , перешедший из НИВИ от Векшинского. Он принялся за разработку катодного блока ионных источников и сделал в конце концов "конфетку", значительно превзойдя американский катодный блок, который мы могли разглядывать в 1958 году на выставке Второй Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии .

Осенью 1947 года я получил первого послевоенного выпускника - молодого специалиста Всеволода Григорьевича Тельковского . С ним мы стали разрабатывать приемник с торможением ионного пучка с целью уменьшения нагрева и сокращения расхода электроэнергии. Пришлось проектировать ионную оптику торможения, для чего мы создали электролитические ванны. Вскоре к Лукьянову присоединился Кольман из того же ЛФТИ, только не на постоянную работу, а прикомандированным для осуществления варианта безаберрационного магнитного поля со скошенными крышками вакуумной камеры, тогда как система Лукьянова была с накладками, усиливающими поле для средней траектории ионного пучка. В обоих вариантах принимался угол расхождения ионного пучка из источника в 30*.

Осенью же 1947 года в нашем отделе начал работать Макс Штеенбек , вызволенный в мае 1945 года Арцимовичем из лагеря пленных немцев в состоянии дистрофии и с больными ногами. Заслуга Арцимовича и ум Завенягина здесь сохранили Штеенбеку жизнь. Вначале Штеенбек был готов с охотой подключиться к экспериментам. Очень высоко оценил нашу технику. Выдвинул свой вариант ионного источника. Но тут Павел Матвеевич устроил истерику. На еженедельном совещании у Арцимовича кричал и бушевал, что не даст немцу использовать наши усилия решить проблему.

Ревность вылилась в непристойную, нецензурную ругань. Такова была его аргументация. И не давал сборщикам собирать вариант источника Штеенбека. К работам со Штеенбеком были вплотную привлечены Андрианов и Осовец . Я иногда встречался с ним, но научного контакта не имел. Арцимович был справедлив и ясно в этом конфликте проявил превосходство своего ума над всеми нами. Но вражду Морозова и скепсис Щепкина преодолеть не мог. Вскоре Макс понял, что на "четверку" его не пустят, и занялся разработкой теории некоего нового ускорителя. Но доклада на нашем отдельском семинаре не сделал. Теперь мы знаем, что Штеенбек был гораздо большим умом, чем мы все вместе с Арцимовичем.

Он вскоре понял, следя за неудачами Арцимовича поднять ионный ток выше 50 миллиампер, что электромагнитный метод промышленной перспективы не имеет и, проанализировав все возможные методы разделения изотопов, остановился прозорливо на лучшем, тогда еще очень слабо развитом - центробежном . Он, оказывается, добился встречи с Завенягиным и ушел от нас в Сухуми или Свердловск (я не знаю), но изучил все, что сделал Фриц Фрицевич Ланге в Свердловске и продолжил развитие работ по центрофугированию. Он правильно понял, что главной неудачей Ланге является безуспешный переход через резонанс на малых еще оборотах центрифуги. У Ланге она была длиной 5 метров и массивна. Поэтому резонанс наступал еще на малых оборотах. Штеенбек разрезал ротор на куски длиной по метру и связал их сильфонами. Тем самым он устранил упругие колебания ротора как целого. Эта работа продолжалась у него до начала 50-х годов, когда за центрифуги взялся Кикоин и в течение нескольких лет довел их до совершенства, не превзойденного до сих пор никем в мире. Пока Штеенбек делал свой принципиальный выбор, у нас в отделе "А" шло совершенствование электромагнитного метода.

Морозов поставил девиз: "По источнику в день!" По сути дела, это был слепой, а не научный поиск решения. Он и Лев Андреевич ежедневно крутили ручки на пульте, "выжимая" ионный ток, пока не сгорал катод или не выбрасывалась урановая "кака" из тигля, так либо иначе приводя источник в негодность. Я никогда не видел у них систематического исследования зависимостей, подробных записей в журналах, никогда не сообщались на семинарах результаты анализа полученного.

В одной из поездок в Ленинград, куда мы стали выезжать группой - Лев, Морозов, Щепкин, я, возможно, еще кто-либо - в ГСПИ-11 для проработки задания на проект завода разделения изотопов , получившего название "База N9" (в Верхней Туре на Среднем Урале), Арцимович устроил в гостинице "Астория", где мы все останавливались, страшную истерику. Его убивали неудачи в получении большого тока от ионных источников. Собрав всех нас в своем номере "люкс", он в очень бурном тоне стал искать выходы из неудачи, по-видимому, желая слышать наше мнение (к чему он обычно оставался равнодушен). Сначала перебирал возможные варианты конструкции, потом стал обсуждать свою пригодность для решения задачи. Стал называть фамилии других физиков: Лейпунского, Лукирского, Синельникова, Векслера, обращаясь к нам с вопросом, не более ли они подходящи для решения задачи. Так и осталось неясным, хотел ли он уйти с этой задачи, не дававшей ему удовлетворения честолюбия, или ожидал нашего одобрения для дальнейшего продолжения работ. Так буря и закончилась без ясного результата, но мы продолжали работу.

Андрианов и Осовец впервые подключили к ионному источнику катодный осциллограф. Сначала не подавая высокого напряжения на него, сделали открытие: напряжение на разряде источника сильно шумит, если тигель "дает недопар", а с увеличением подачи пара UCl6 уровень шума во много раз уменьшается, но никогда не исчезает полностью. Затем вместе с Явлинским запитали осциллограф через разделительный трансформатор и сделали второе открытие: если "недопар" и разряд сильно шумят, то на приемнике линии сильно размываются, превращаются в туманное "облако", и ни о каком разделении изотопов не может идти речи. Началось первое осмысление физики происходящего в разделительной установке.

Лукьянов с Коробочкиным развили графическую технику расчета "безаберрационного" магнитного поля и выяснили, что "поле Лукьянова", то есть поле с максимумом напряженности на средней траектории, дает прямую по вертикали мимо фокуса. А "поле Кальмана" с монотонным убыванием напряженности дает линии фокуса на приемнике в виде дуги. Поэтому на "пятерке" сделали только одну камеру с "полем Кальмана", а остальные три на "четверке" сделали с "полем Лукьянова". "Поле Лукьянова" приняли и для завода. В это время появился в неограниченном количестве "котельный" графит в виде блоков 100x100x500 мм. Из него Морозов делал тигли и газоразрядные камеры источников, а я на приемниках стал покрывать пластинками из графита фронтальную поверхность, сильно облегчив охлаждение ее. Поверхность из меди, охлаждаемую припаянными с обратной стороны трубками с водой, под нагревом ионным пучком коробило. При длительном приеме пучка в карман линия урана-238 высаживалась на нож. Мы обнаружили любопытную картину: поверхность ножа, распыляемая ионами урана, приобретала структуру "шерсти" с острыми иглами навстречу пучку, а в кармане оседали пленки, состоящие из меди и урана, прочно держащиеся на стенках кармана, пока они были тонкими и шелушащимися, когда утолщались. Елизавета Васильевна Гордоделова , химик моего сектора, отвечавшая за сбор изотопов урана, быстро научилась отделять уран от меди и давала нам из "легкого кармана" порции урана для измерения изотопного состава. Измерение изотопного состава я наладил у себя по подсказкам Петра Ефимовича Спивака следующим образом. Сделали ионизационную камеру на плитку, которой Гордоделова высаживала уран из легкого кармана. Камеру облучали нейтронами от граммового радий- бериллиевого источника в двух режимах: со слоем парафина, окружавшим источник, и без него. Сигналы от осколков деления регистрировались счетчиком. По отношению интенсивности счета с парафином к счету без парафина определяли концентрацию урана-235 в образце. В 1949 году появились масс-спектрометры. Лабораторный образец масс-спектрометра был разработан немецкими физиками в Сухуми . Создание серийного варианта было поручено Константину Павловичу Шахову в НИИ-160 во Фрязине . Когда работа была закончена, примитивный лабораторный вариант был в корне преобразован, меня назначили председателем Госкомиссии, и я несколько дней проработал во Фрязине по его приемке в производство. Серийное производство масс-спектрометров с диапазоном масс от 1 до ~ 300 было поручено заводу в Сумах . На сумском спектрометре мы потом в 1949- 1950 годах измеряли изотопный состав разделенного лития, но измерения урана так и не наладили. У Кикоина в Невьянске на Базе N5 измерения успешно шли, но там в источник подавался газообразный UF6.

На еженедельных, а на самом деле нерегулярных совещаниях у Арцимовича я должен был докладывать об изотопном составе очередных образцов. Я всегда оказывался застигнутым врасплох и не мог ничего сказать "на сегодня". Арцимович очень злился и в конце концов отнял у меня определение изотопного состава и передал педантичному Лукьянову, проводившему измерения вместе с "котом Васькой" - Тимофеевым , молодым специалистом, пришедшим на работу в 1948 году. Он всегда, перед тем как ответить на вопрос, растерянно тер пальцем лоб, с трудом соображая, что ответить. В 50-х годах пытался перейти на термоядерные исследования, но оказался непригодным для исследований и куда-то бесследно исчез.

Обнаружив интенсивное распыление "ножа" приемника пучком ионов урана (не только образовывалась "шерсть" - по поверхности ножа невозможно было вдвинуть палец внутрь кармана, "против шерсти", но беспрепятственно можно было гладить "по шерсти" изнутри наружу), мы стали искать менее разрушаемые материалы. Первое, что сделали, - изготовили лезвие ножа из графита. На нем "шерсти" не образовывалось, но значительные проблемы все же, как и на меди, получались. Эти вопросы породили целое направление исследований. Мы соорудили в одной из своих комнат "крокодила" - установку с электромагнитом, вакуумной камерой, ионным источником, электропитанием и диагностикой. Экспериментами по взаимодействию ионных пучков с твердыми телами занялись Тельковский и Борис Владимирович Панин (Панкин?) . Распыляли ионными пучками от урана до водорода и материалы, вплоть до бериллия, ничего не зная о берилиозе. Но бериллия у нас было мало, и поэтому мы не сдохли. Ионные источники делали независимо от Морозова, пользуясь только великолепными катодными узлами Макова. По мере увеличения сроков службы ионных источников мы совершенствовали и приемники пучков. На серийный приемник стали устанавливать разработанные Жуковым ионоскопы - электромоторчики, вращавшие тонкостенный цилиндр со спирально прорезанной на один оборот щелью. Внутри цилиндра устанавливался электрод, а снаружи - горизонтально расположенная щель. При вращении мотора перекрестье щелей с постоянной скоростью перемещалось параллельно оси цилиндра, повторяя смещение на каждом обороте. Ток с электрода подавался на осциллограф, вырисовывавший форму пучка, попадавшего на приемник.

Большой проблемой оказалось создание подшипников, работающих в глубоком вакууме. Металлические подшипники быстро заедали, и моторчик останавливался. В конце концов стали делать подшипники из тефлона. Они работали дольше, но все же через несколько часов и они выходили из строя - разнашивалось отверстие, и ось теряла продольную фиксацию. Тогда я задумал сделать ионоскоп иного типа: с вибрирующей пластиной. В течение нескольких дней сделал его и испытал в магнитном поле "четверки". Это была рамка, по которой пропускался ток, достаточный для смещения ее на несколько сантиметров поперек магнитного поля. Управление рамкой производилось от простой радиолампы с обратной связью от ЭДС, наводимой в маленькой петле, связанной с основной петлей. Схема работала устойчиво, и бронзовые пружины обещали большой срок службы. Я подготовил приемник ионов с немного измененной конструкцией карманов, чтобы над ними можно было установить ионоскоп. <... > Я собрал его, но когда пошел испытывать на "четверке", Максимов позвал меня на партсобрание. Это был уже сентябрь или октябрь 1948 года.

По инициативе Максимова, расхваливавшего мне мои качества как организатора работ, я уже [давно] подал заявление о приеме в партию 2 . Я внутренне взорвался, но не показал виду. Отнес и ионоскоп, и его ламповую схему к себе в лабораторию и, скрепя сердце, пошел на партсобрание. Тут я впервые понял, как партийная работа мешает главной работе по профессии. Затем к нам в отдел начали прибывать стажеры, то есть те, кто должны были набраться знаний, чтобы дальше работать на Базе N9 на установке СУ-20 с двадцатью разделительными камерами по три ионных источника в каждой.

Завод по электромагнитному разделению изотопов пришлось переделывать
Завод по электромагнитному разделению изотопов был построен
Завод электромагнитного разделения изотопов урана СУ-20

Ссылки:

Электромагнитный метод разделения изотопов

Васильев Дмитрий Ефимович

ГОЛОВИН И.Н.: ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПОВ В СССР

Литий-6 выделен электромагнитным методом. Конфликт Морозов-Арцимович

Тамм И.Е и рождение проблемы УТС (Управляемый термоядерный синтез)

Информационная поддержка: ООО «Лайт Телеком»