История ракетно-ядерной гонки США и СССР - Евгений Буянов

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.