Плутониевая зона

В отчете об изготовлении и испытании американской атомной бомбы Г. Смит записал о радиохимическом производстве:

Проектную разработку технологического процесса на объекте «Б» в плутониевой зоне поручили в начале 1946 года ленинградскому Радиевому институту (РИАНу) во главе с академиком Хлопиным.

В выполнении секретного задания Спецкомитета приняли участие несколько отделов института, руководимых профессорами Рат-нером, Гринбергом и Никитиным.

Через полгода разработанная технология была изложена в одном рукописном экземпляре, переплетенном толстым синим дерматином («Синей книге»), и одобрена на заседании Научно-технического совета ПГУ.

Вскоре доклад был размножен и под грифом «для служебного пользования» рекомендован как теоретическое пособие для подготовки эксплуатационного персонала объекта «Б».

Суть радиохимического процесса заключалась в том, что плутоний, как и многие другие химические элементы, проявляет в соединениях разную валентность. Он может быть трехвалентным (восстановленное состояние) и шестивалентным (окисленное состояние). В зависимости от этого изменяются растворимость плутония в некоторых средах и ряд других свойств.

Все химические операции практически можно производить только с растворами. В связи с этим начало технологической цепочки было предопределено: облученные урановые блочки подлежали растворению в концентрированной азотной кислоте.

Следующий процесс на языке химии назывался окислительным осаждением. Он заключался в том, что к полученному раствору добавлялись соли уксусной кислоты (ацетаты), которые, вступая в химическое соединение с ураном, образовывали твердый осадок в виде кристаллов смешанного состава. Окисленный плутоний также захватывался этими кристаллами.

В растворенном состоянии оставались все радионуклиды. После этого предполагалось сам раствор (декантат) вместе с вредными примесями куда-нибудь слить как побочный продукт основного производства.

Еще на стадии лабораторных экспериментов выявился главный недостаток проекта: образование большого количества жидких высокоактивных отходов (ВАО). На каждую тонну перерабатываемого урана — пятьдесят тонн жидких отходов. Для временного хранения решено было построить вдали от объекта «Б», в укромном месте, огражденном проволокой и плакатами с черепом и перекрещенными костями, безлюдные долговременные хранилища: комплекс «С». Специальные бетонные баки-каньоны огромной емкости, замурованные в земле.

Оставшийся осадок после многократной промывки снова необходимо было растворить в азотной кислоте. Теперь речь шла уже о непосредственном разделении урана и плутония. Специальными химическими добавками плутоний восстанавливался до трехвалентного состояния. При этом он терял свою изоморфность (одинаковость кристаллических свойств) с ураном. Поэтому при новом впрыскивании ацетатного осадителя в осадок выпадали только кристаллы урана, а плутоний оставался в растворенном состоянии. И снова — декантация.

Концентрированный азотнокислый раствор плутония после до-очистки являлся целевым, плановым продуктом завода «Б». В канистрах по 20 литров он должен был из рук в руки, под роспись передаваться приемщику химико-металлургического завода «В».

Осадочная урановая пульпа подлежала фильтровке, сушке, фасовке и возвращению в новый производственный цикл, поскольку урановой руды в СССР не хватало.

Таким образом, завод «Б» проектировался как гигантский рас-твороперерабатывающий химический комплекс, равного которому по своим масштабам в СССР никогда прежде не существовало.

Руководители пусковой бригады, профессора Ратнер и Никитин, прекрасно понимали все: и проектные недостатки, и невозможность осуществления всего процесса адекватно удачным лабораторным экспериментам. Неминуемы протечки в многокилометровых трубопроводных трассах. Непредсказуемо явление адсорбции плутония на металлических поверхностях. Неизвестна стойкость материалов в условиях повышенной радиации. Никому не известна точно критическая масса плутония в растворенном состоянии. А это могло при некоторых избыточных концентрациях привести к возникновению самопроизвольной цепной реакции и неминуемому взрыву основного оборудования. Ратнер и Никитин ехали в плутониевую зону, отдавая себе отчет в той опасности, которая подстерегала их лично, ждала своих создателей, приготовив радиоактивные объятия-щупальца. Конечно, надеялись выжить, но не случилось. Оба вскоре скончались от лучевой болезни.

Ученые были первыми заложниками своей собственной технологии. Но они знали, на что шли. А вот две тысячи операторов, аппаратчиц, пробоотборщиков, выпускниц Воронежского и Горьковского университетов, — ничего не знали о своей судьбе. Они не знали, зачем их везли на «базу № 10», зачем завозили на автобусах в зону и селили в барачные общежития. Они не имели понятия о радиоактивности, делении атомов урана, разлагающем отравлении плутонием. Они ехали по призыву комсомола и партии для выполнения важного государственного дела. И гордились оказанным доверием.

19

Для достижения ядерного взрыва необходимо создание в бомбе мгновенной сверхкритичности ядерного топлива и удержания ее на миллионные доли секунды, чтобы успела разделиться хотя бы небольшая доля «горючего» материала. Цепная реакция деления в бомбе протекает на быстрых нейтронах и носит характер мгновенного мощного взрыва.

В производственных условиях завода «Б» возможен был и другой вариант цепной реакции с локальным взрывом. Она могла произойти в какой-либо емкости с раствором плутония, что являлось бы, по существу, производственной радиационной аварией. На языке эксплуатационников подобные самопроизвольные цепные реакции в растворах получили сокращенное наименование — СЦР.

Если критическая масса сердечника из плутония для атомной бомбы в 1948 году была определена достаточно точно, то критическая масса того же плутония, растворенного в какой-либо емкости, в тот момент, накануне пуска радиохимического завода «Б», была никому в СССР не известна. А между тем, Курчатов как научный руководитель плутониевой зоны обязан был выдать регламентные ограничения для безопасного ведения технологического процесса. Сложность физических экспериментов для определения критических концентраций плутония в растворах заключалась не в методике постановки опытов, а в их многочисленности и многозначности.

Искомая величина зависела от очень многих факторов: от химического состава растворителя, от формы сосуда, от наличия экрана вокруг сосуда. Наименьшая критическая концентрация получалась для сосудов, по форме близких к шарообразной. Чем более вытянутой и сплющенной была форма, тем менее вероятна была СЦР в сосуде.

Экран вокруг сосуда, особенно из органических материалов, увеличивал потенциальную возможность возникновения цепной реакции, поскольку экономил часть нейтронов, вылетавших из сосуда, отбрасывая некоторые обратно. В частности, таким экраном могли служить тело, голова или руки оператора, работавшего с данным сосудом, бутылкой или канистрой. Критическая масса зависела также от наличия рядом других емкостей с плутонием. Система сосудов опаснее одинокой емкости.

По этим причинам поставленная задача не имела однозначного решения в принципе. А для нахождения многих табличных данных в зависимости от концентрации, типа растворителя, формы сосудов и т. д. — необходимы были тысячи экспериментов.

В условиях бешеной атомной гонки и приближающегося пуска завода «Б» у Курчатова совершенно не было времени для организации многочисленных опытов. Но ответ на насущный вопрос о критической концентрации плутония — в виде регламентных требований — Курчатов обязан был дать.