proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2021 год
  Агентство  ПРоАтом. 24 года с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Обсудим?!
Способствует ли безопасности атомной отрасли закрытость (усиление режима)?
Да
Нет
Сильнее влияют другие факторы

Результаты
Другие опросы
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. Информация: (812) 438-32-77, E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[31/01/2019]     Газовые центрифуги для разделения изотопов. История создания в СССР

Г.М. Скорынин, к.т.н., ветеран атомной отрасли

Эта статья открывает большую и важную для атомной отрасли тему «Центрифуги», которую мы с помощью Скорынина Геннадия Михайловича планируем раскрыть в ближайшие полгода целой серией публикаций. Современные центрифуги и сегодня работают на разделительных заводах атомной отрасли. Они настолько усовершенствованы, что улавливают малейшие разницы в массах атомов, и это позволяет получать в промышленных объемах самые разные чистые вещества. Воистину – это один из лучших инновационных проектов нашей страны.  Редакция «ПРоАтом»



Предисловие

Во времена Советского Союза произносить слово ЦЕНТРИФУГА в атомной отрасли было запрещено. Вместо термина «газовая центрифуга» даже в секретной переписке использовались условные наименования, такие как «газовая турбина», «кристаллизатор», «вибратор» и другие. Строгий режим секретности позволил долгое время скрывать от иностранных разведок тот факт, что обогащение урана в СССР осуществляется по центрифужной технологии, которая намного экономичнее энергоемкой газодиффузионной технологии. Перевод отечественных разделительных предприятий на технологию газовых центрифуг западные спецслужбы «проморгали» так же, как и в 1949 году испытание  первой советской атомной бомбы, которое для западных экспертов стало одним из величайших стратегических недоразумений холодной войны, опередив их самые смелые оценки на несколько лет. Вплоть до 1989 года во всех открытых обзорах и закрытых отчетах западных спецслужб сообщалось, что разделение изотопов урана в СССР осуществляется на четырех газодиффузионных заводах. Только когда дюжина компетентных соавторов опубликовала в №4 журнала «Атомная энергия» за 1989 год  статью «Разработка и промышленное применение газовых центрифуг для обогащения урана в СССР», мир узнал о передовой советской технологии. Появление статьи было вызвано необходимостью снять обвинения в демпинге, возникшие в связи с низкими ценами, по которым СССР экспортировал обогащенный уран в США и Западную Европу.

После снятия табу на публикации в 1990-е годы появились воспоминания участников разработки центрифуг: главного конструктора ОКБ Ленинградского Кировского завода Н.М. Синева, сотрудников Курчатовского института А.Г.Плоткиной, В.Н.Прусакова, А.А.Сазыкина, Д.Л.Симоненко и др. В 2002 году был издан сборник статей «Разработка и создание газоцентрифужного метода разделения изотопов в СССР (России)» под редакцией бывшего главного конструктора ЦКБМ В.И.Сергеева. Субъективные воспоминания писались по прошествии нескольких десятилетий, поэтому они содержат ряд неточностей и противоречий и не позволяют в полной мере восстановить логическую картину и хронологию событий. В частности, оставался открытым вопрос о приоритете изобретения газовой центрифуги, поднятый в статье С.В. Романова, племянника академика И.К. Кикоина, опубликованной в журнале «Знание-сила» №4 за 2008 год. В условиях дефицита документальных материалов, история создания центрифужной технологии обросла рядом вымыслов и мифов, которые до сих пор распространяются по интернету и клонируются в многочисленных публикациях СМИ. 

Во исполнение Указа Президента Б.Н.Ельцина от 17 февраля 1995 года № 160, в период с 1998 по 2010 год издано 12 книг трехтомного сборника  «Атомный проект СССР. Документы и материалы» под общей редакцией Л.Д. Рябева. В этот уникальный сборник включено несколько десятков рассекреченных документов, раскрывающих некоторые подробности истории разработки газовых центрифуг до 1954 года.  Интересные технические детали исследовательских работ по созданию центрифуг, начавшихся в 1946 году в Сухуми, приведены в ныне рассекреченных отчетах ЦРУ, составленных по результатам опросов немецких специалистов после их репатриации из СССР в 1955-1957 годах. Еще один пласт документальных материалов поднял недавно немецкий историк Бернд Хельмболд. В его книге «Наука и политика в жизни Макса Штеенбека (1904-1981)», изданной в 2017 году на немецком языке, содержится множество ссылок на архивные документы, в т.ч. из архива Росатома и Российского государственного военного архива. В 2016 году в Курчатовском институте рассекречен ряд документов 1953 года, позволяющих стереть некоторые «белые пятна» в ранней истории создания газовой центрифуги в СССР.

Автором проведен тщательный анализ опубликованных на данную тему документов, сопоставлены противоречивые сведения, встречающиеся в различных источниках, и предложена реконструкция событий, связанных с созданием в СССР первой в мире центрифужной технологии. Новая технология постепенно (начиная с 1962 года) вытеснила газодиффузионное оборудование на отечественных предприятиях по обогащению урана. Позднее принципы конструкции советской центрифуги были заимствованы концерном URENCO (Германия, Великобритания, Нидерланды), который внедрил центрифужную технологию с отставанием в полтора десятка лет. Ныне на мировом рынке обогащения урана эта технология занимает монопольное положение и широко применяется для разделения изотопов многих других химических элементов.

1. Начало исследований газовых центрифуг в Сухуми

1.1 В ожидании репараций

В 1944 году, когда Красная армия еще не вышла к границам СССР и союзники еще не открыли второй фронт, исход войны уже был  ясен и стал возникать вопрос о будущей компенсации того громадного ущерба, который нанесли фашистские захватчики за все время оккупации нашей территории. Еще в январе 1944 года академики И.П. Бардин и А.Е. Ферсман внесли в Президиум АН СССР предложение  о создании специальной комиссии для заблаговременной подготовки перечня основных объектов науки и техники стран гитлеровской коалиции, а также тех достижений германской науки и промышленной техники, использование которых могло бы быть полезным для восстановления народного хозяйства нашей Родины и развития ее производительных сил. Президиум АН СССР на заседании 20 июня 1944 года решил комиссию не создавать, а подготовку материалов по компенсации ущерба поручить отдельным ученым.

Вопрос о компенсации ущерба, причиненного Германией в ходе войны, обсуждали Сталин, Рузвельт и Черчилль на Крымской конференции, проходившей в Ялте 4–11 февраля 1945 года. Протокол Крымской конференции по вопросу о репарациях, подписанный Главами трех правительств, предусматривал возмещение Германией ущерба как в форме изъятия оборудования и поставок товаров, так и использование германского труда. После капитуляции Германии, на Потсдамской конференции (17 июля — 2 августа 1945 г.) главы правительств СССР, США и Великобритании согласились, что  каждая страна будет взимать репарации из своей зоны оккупации Германии. Таким образом, была заложена международная юридическая основа использования труда немецких специалистов.

Для отбора оборудования, материалов и трудовых ресурсов в освобожденных районах Германии в апреле-июне 1945 года действовал научно-разведывательный десант, возглавляемый заместителем Народного комиссара внутренних дел СССР генералом А.П. Завенягиным. В состав команды было включено около трех десятков ученых из Лаборатории №2, которая была организована в 1943 году для проведения исследований по использованию атомной энергии. Ведущие учёные лаборатории А.И.Алиханов, Л.А.Арцимович, Я.Б.Зельдович, И.К.Кикоин, Г.Н.Флѐров и Ю.Б.Харитон и другие прибыли в Германию в форме полковников НКВД. Начальник Лаборатории №2 И.В. Курчатов для облегчения поиска подготовил список  из 35 немецких ученых, которые, по его мнению, могли быть участниками уранового проекта в Германии. Однако надо признать, что спецслужбы союзников опередили нашу разведку. Аналогичную миссию под кодовым названием «АЛСОС» по сбору информации о тайном немецком ядерном проекте, вывозу  основных «умов», запасов урана и тяжелой воды, американцы начали еще в сентябре 1943 - сначала в Италии и Франции, а перед окончанием войны на освобожденной территории Германии. Ключевые фигуры во главе с Вернером Гейзенбергом были захвачены американцами и оказались вне зоны досягаемости. Из списка Курчатова только Арденне и Позе оставались в советской зоне оккупации.

Четверо прозорливых ученых – Манфред фон Арденне, Густав Герц, Макс Фольмер и Петер Тиссен – договорились между собой, что каждый ответит перед наступающими союзниками и от своего имени, и от имени трех других /1, с.33/. Просить будут русских о предотвращении грабежа институтов, о продолжении ими работы с минимальным перерывом и о защите от судебного преследования за любые политические действия в прошлом. Последний мотив был особенно важен для Тиссена – члена национал-социалистической партии с 1925 года. В том аду, в который превратился апрельский Берлин, четыре человека приняли верное и, очевидно, единственно возможное решение: добровольное сотрудничество с СССР. Для каждого наука была смыслом жизни и непреходящей любовью, навсегда. Вне работы, вне творчества каждый из них не представлял существования.

Первым с советскими военными встретился  директор Института физической химии и электрохимии Общества Кайзера Вильгельма в Берлине Петер Тиссен. Это произошло 27 апреля 1945 года, когда еще были живы первые лица рейха /1, с.34/. По воспоминаниям Кикоина /2, с.76/, когда 10 мая они с Арцимовичем, Флеровым и Мигулиным в сопровождении генерала НКВД В.А. Махнева  подъехали к частной лаборатории Манфреда фон Арденне, там по-русски было написано: «Добро пожаловать!». Тот, по-видимому, учёл обстановку и встречал победителей, как друзей. В этот же день Арденне в ответ на приглашение передал официальное письмо на имя И.В. Сталина о желании работать с русскими физиками и предоставить лабораторию и самого себя в распоряжение советского правительства. Аналогичные заявления вскоре были получены от руководителя Циклотронной лаборатории концерна Симменс, Нобелевского лауреата Густава Герца, заместителя директора Физического института Общества Кайзера Вильгельма профессора Людвига Бевилогуа и нескольких других крупных ученых. Среди добровольцев оказался и Николаус Риль, который в концерне ДЕГУССА разрабатывал технологию получения металлического урана.  

Во исполнение Постановления Государственного комитета обороны № 8568сс от 15 мая 1945 года Народный комиссар внутренних дел Союза ССР Л.П.Берия  16 мая 1945 издал приказ №00539сс «О вывозе специального оборудования и материалов из Германии для Лаборатории № 2 Академии наук и Спецметуправления НКВД СССР». В записке 18 июня 1945 года А.П. Завенягин и В.А. Махнев отчитались перед шефом о направлении в СССР немецких специалистов и вывозе из Германии оборудования и материалов. Всего в СССР  было погружено и отправлено 7 эшелонов из 380 вагонов. Первый из эшелонов к тому времени уже прибыл в Москву. Вместе с оборудованием в СССР направлены 39 германских ученых, инженеров, мастеров и, кроме них, 61 человек — членов их семей, а всего 99 немцев. Арденне и Герц прибыли в СССР с группой специалистов по 11 человек с семьями. Из лаборатории Манфреда фон Арденне вывезено уникальное оборудование: 2 электронных микроскопа новейшей оригинальной конструкции, с разрешением до 300 000 раз, оснащенного  приспособлениями для киносъемки; 2 установки для расщепления атомного ядра, в т. ч. циклотрон с весом электромагнита в 60 тонн и высоковольтная установка на 1 миллион вольт.

Кроме оборудования и специалистов миссии А.П.Завенягина удалось обнаружить и отгрузить в Советский Союз около 300 тонн урановых соединений и около 7 тонн металлического урана. Удачная находка около 100 тонн урана стала

вознаграждением полуторамесячных поисков Кикоина и Харитона, которые нашли запрятанные бочки с окисью урана на складе кожевенного завода в маленьком посёлке Нойштадт-Глеве (Neustadt am Glewe) в 150 километрах от Берлина вблизи границы с английской зоной.  Позднее И.В. Курчатов признался, что уран из Германии не менее чем на год сократил срок запуска первого промышленного реактора для получения плутония.

Кикоин вспомнил еще один эпизод, произошедший в начале миссии и имеющий отношение к теме нашего дальнейшего повествования. При обследовании  Физического института Кайзера Вильгельма был обнаружен сейф, забитый секретными документами по урановому проекту. Несмотря на то, что Красная армия уже вошла в Берлин, заместитель директора Людвиг Бевилогуа с немецкой аккуратностью документацию не уничтожил, так как не имел на это право, не получив соответствующего указания.

Характерный анекдот про немецкую пунктуальность из уст Лаврентия Берия вспомнил  Николаус Риль  /3, с. 88/.  На первой встрече с прибывшими из Германии специалистами в своем кабинете па Лубянке любезно настроенный Берия стал говорить, что немцы народ организованный, и делают то, что им приказывают. А так как им приказали все еще воевать, они, значит, и воевали, поэтому война так долго и продлилась. Но теперь война закончилась. И в подтверждение этой характеристики Берия рассказал такой анекдот: «Немцы должны штурмовать вокзал. Но штурм никак не начинается. В чем дело, спрашивает генерал? А ему отвечают, что солдаты…покупают перронные билеты!».

Из изъятых документов следовало, что институт, который во время войны возглавлял Вернер Гейзенберг, был центральным в урановом проекте. После  просмотра документов стало ясно, что немцы далеко не продвинулись в своих исследованиях, напротив,— они в интересующих нас вопросах находились на очень низком научно-техническом уровне. Ряд  документов свидетельствовал, что профессор Пауль Хартек в Гамбурге занимался центробежным методом разделения изотопов урана, но особых успехов не достиг. Хартека и непосредственного разработчика газовых центрифуг Вильгельма Грота в советской зоне оккупации обнаружить не удалось.

Для Арденне и Герца были созданы институты под названием «Лаборатория “А”» и «Лаборатория “Г”» (по первым буквам фамилий директоров),  вошедшие в систему 9-го Управления НКВД СССР. Лаборатории располагались в Сухуми, в здании санаториев «Синоп» и «Агудзера». Место для размещения будущих институтов «А» и «Г» выбирал сам Берия, уроженец села Мерхеули неподалеку от Сухуми. В юности он учился в Сухумском реальном училище (сейчас - Сухумский государственный колледж) и хорошо знал город. Еще в марте 1945 года он позвонил главе Абхазии Александру Мирцхулаве и поручил освободить для этих целей санатории «Синоп» и «Агудзера», где во время войны размещались госпитали /4, с.11/. Через три дня в Сухуми прибыл заместитель Берия генерал Завенягин с резолюцией Сталина, осмотрел территории санаториев, и вскоре больные были перемещены в санатории Гагры. А санатории в Сухуми начали переоборудоваться под научные институты. К концу апреля все было готово для приема «гостей» из Германии. В конце мая, Берия снова позвонил Мирцхулаве и сообщил, что операция начнется в ближайшее время.

Постановлением ГОКО № 9944сс/оп от  30 августа 1945  «Об обеспечении строительства объектов “А” и “Г”» на переоборудование санаториев под научные институты было выделено 19,2 млн. руб. (без стоимости технологического оборудования), в том числе на 1945 год 6 млн. руб. и на первое полугодие 1946 г. - 13,2 млн. руб. В январе 1946 года  для форсирования строительства и ввода в действие в I полугодии 1946 г. основных сооружений объектов «А» и «Г» Постановлением СНК СССР финансирование было увеличено до 40 млн. руб.

Уже приехавшие в СССР руководители создаваемых лабораторий сообщали адреса и фамилии оставшихся в Германии специалистов, которых они хотели бы пригласить для работы. Кто-то отказывался, кого-то не нашли по указанным адресам, а некоторые соглашались. Количество немцев, согласившихся на работу в СССР, постепенно увеличивалось. В докладе, подготовленном 17 января 1946 года И.В.Курчатовым, И.К.Кикоиным, Б.Л.Ванниковым, М.Г.Первухиным и А.П.Завенягиным для представления Сталину "О состоянии работ по получению и использованию атомной энергии», сообщалось, что  из Германии вывезена группа ученых, инженеров и техников из 70 человек, в т.ч. 3 профессора, 17 докторов и 10 инженеров. В числе вновь прибывших был доктор физики Макс Штеенбек, под руководством которого в Сухуми начались исследования, которые в конечном итоге привели к созданию современной центрифужной технологии разделения изотопов урана. Результаты исследований группы Штеенбека послужили отправной точкой для разработки советскими специалистами и учеными современной конструкции газовой центрифуги, которая стала применяться для промышленного обогащения урана в нашей стране и позднее была заимствована URENCO и другими странами.

Свое согласие о работе в СССР Штеенбек давал в более драматичной ситуации, чем Арденне и Герц.

1.2 Путь Макса Штеенбека в «Синоп»

Перед войной Макс Штеенбек был известен в Германии и за ее пределами как изобретатель бетатрона и автор нескольких десятков публикаций в научных журналах. Двухтомный учебник «Физика и техника электрического разряда в газах», написанный им в соавторстве с Альфредом фон Энгелем в 1932 году, был издан в СССР на русском языке. В начале 1941 года в журнале «Успехи физических наук» опубликован цикл статей Штеенбека и Ромпе «Газы в состоянии плазмы». Как директор завода выпрямителей фирмы «Сименс-Шуккерт», под началом которого находилось военизированное формирование самообороны предприятия, 25 апреля 1945 года Штеенбек был арестован Красной армией и оказался в лагере для военнопленных в Познани.

В своей книге-исповеди Штеенбек вспоминает, как в лагере, чтобы оградить себя от «дурацких мыслей», он раздобыл огрызок карандаша и на бумаге в течение нескольких недель набрасывал чертежи и описание вихревой трубы - нового электронного ускорителя, идея которого возникла у него два года назад, но не была проработана из-за текучки дел в «Сименсе». Эти научные наброски вместе с прошением о помиловании, в котором он сообщил о своей непричастности к партии нацистов и выразил готовность к сотрудничеству с победителями, он передал одному из лагерных начальников, и тот, следуя инструкции НКВД, 7 июля отправил их «куда следует». 

Следующее интеллектуальное занятие Штеенбека – расчет и конструирование солнечных часов для лагерных нужд – внезапно было прервано тяжелой болезнью. Лежа на мешке с соломой в лагерном лазарете, страдая от фурункулеза и диареи, он уже почти смирился со своей участью – оказаться недели через три в хлорном бараке. Неожиданно произошло чудо: пришла телеграмма о вызове Штеенбека в Москву.

По-видимому, тут решающую роль, сыграла записка И.В. Курчатова, ознакомившегося с материалами по вихревой трубе и рекомендовавшего пригласить Штеенбека на работу. Кроме профессора Л.А. Арцимовича с материалом познакомился и Нобелевский лауреат Густав Герц, возглавивший в Сухуми лабораторию «Г». Герц высоко оценил работу по вихревой трубе, однако посчитал «неуместным» присутствие Штеенбека в своей лаборатории /8, с.35/.

8 октября 1945 года заместитель наркома внутренних дел А.П. Завенягин доложил своему шефу Л.П.Берия, что Штеенбек найден и направляется в лабораторию «А» по согласованию с ее директором Манфредом фон Арденне. Постановление СНК СССР № 2755-776сс «Об использовании группы немецких специалистов, изъявивших желание работать в СССР» заместитель председателя Совета Народных Комиссаров Берия подписал 27.10.1945.

После лечения в подмосковном санатории «Опалиха» в ноябре 1945 Штеенбек прибыл в Сухуми, где летом (27 июля) 1945 года были образованы лаборатории «А» и «Г», вскоре переименованные в институты. В «Синопе» разместился институт Манфреда фон Арденне (1907-1997), который в Германии построил мощный электронный микроскоп и разрабатывал электромагнитный метод разделения изотопов. В санатории «Агудзера» расположился институт «Г», возглавляемый Нобелевским лауреатом по физике Густавом Герцем (1887-1975), который до войны проводил исследования в области разделения изотопов, в частности в 1932 году создал первый газодиффузионный каскад для разделения изотопов неона. Эти ученые приехали из Германии в СССР вместе с семьями, персоналом и научным оборудованием своих лабораторий.

В отличие от Арденне, Герца и Тиссена Штеенбек находился среди совершенно чужих людей и испытывал психологический дискомфорт. По его просьбе в феврале 1946 года в Сухуми из Германии переехала его жена Марти (1902-1969) с тремя детьми и, вскоре, его бывшая секретарша Эмма Берген (1911-1993), работавшая с ним еще во времена директорства на заводе «Сименс». Спецслужбам в Восточной Германии удалось ее разыскать и вывезти из английского сектора Берлина. «Тетя Эмми» стала фактически членом семьи, а впоследствии, после смерти Марти уже в Германии Макс и Эмми поженились.

1.3 Формирование команды.  Выбор направления исследований

Планы работы институтов "А" и "Г" рассматривались Научно-техническим советом Первого Главного Управления (НТС ПГУ) и утверждались Правительством СССР. Исследования немецких ученых были органически связаны с задачами Лаборатории № 2 и направлены на разрешение стоящих перед ней проблем. Наиболее острой проблемой была разработка промышленной технологии обогащения урана, над которой параллельно работали советские и немецкие специалисты. Поэтому главной задачей обоих институтов в Сухуми стало разделение изотопов урана и разработка приборов и методик для определения степени этого разделения.

В Сухуми Штеенбек начал с теоретических исследований ряда методов разделения изотопов: взаимная диффузия газов одного через другой (так называемая масс-диффузия), конденсация газа на капельках растворителя из пересыщенного пара (оригинальный метод «разделяющей дюзы», от немецкого «Düse» - сопло, форсунка), и  термодиффузия в вольтовой дуге в парах ртути. Для экспериментальной проверки теории Штеенбек набрал деятельных сотрудников из числа немецких и австрийских военнопленных, прибывших из разных лагерей. Вскоре команда была усилена советскими специалистами с дипломами университетов Тбилиси и Еревана, в т. ч. тремя  кандидатами наук. В группе не хватало механиков и техников-лаборантов. Штеенбек потратил два дня на собеседования с добровольцами в лагере для военнопленных и отобрал себе пять помощников. Так в группе Штеенбека оказались инженер-механик Гернот Циппе из Красногорского лагеря военнопленных под Москвой и инженер-электрик Рудольф Шеффель, которые впоследствии стали его преданными сотрудниками. Выпускник Венского университета Циппе вскоре возглавил работу по конструированию газовых центрифуг и экспериментальной проверке теоретических замыслов Штеенбека. Уже после отъезда из СССР Циппе стал зятем Штеенбека, женившись на его дочери Лизелотте /8, с. 46/. Роман 17 летней девушки и 32 летнего инженера начался ещё в Сухуми. По видимому, по этой причине Штеенбек в 1950 году обратился к Берии с просьбой срочно отправить дочь с матерью и двумя сыновьями в Германию.

Помощь Циппе и Шеффеля в проведении экспериментов оказалась особенно существенной в условиях частых отъездов Штеенбека из Сухуми. В Москву он регулярно ездил с отчетами перед НТС ПГУ и попутно встречался с Арцимовичем. Тот придавал большое значение участию Штеенбека в работах по электромагнитному разделению изотопов и консультациях своих сотрудников в области физики плазмы. Однажды Штеенбека пригласил профессор В.И. Векслер, который в МГУ занимался ускорительной техникой и хотел подробнее узнать о конструкции бетатрона. Случилась также поездка в Ленинград, где академик А.Ф. Иоффе ознакомил Штеенбека с исследованиями, ведущимися в ЛФТИ.

Совет министров СССР 19 июня 1947 года постановил сконцентрировать усилия по разработке электромагнитного метода в отделе Арцимовича в Лаборатории № 2. С этой целью в Москву была переведена группа работников ЛФТИ и Штеенбек. Приказом Курчатова от 29.12.1947 Штеенбек был принят на постоянную работу и назначен начальником сектора газового разряда в отдел Арцимовича, продолжая при этом руководить группой в Сухуми. Работа «на двух стульях» требовала ежемесячных перелетов на самолете между Москвой и Сухуми. На поезде этот путь занял бы около четырех суток. В поездках Штеенбека постоянно сопровождала его помощница Эмма Берген, которая была оформлена техником-лаборантом в группе Штеенбека.

1.4      Диалектика ротора. Начало исследований центрифуг


Главный корпус санатория «Синоп», где располагался институт «А»

По интернету несколько лет витают байки, будь то бы немецкие специалисты в Сухуми воспроизвели центрифужную технологию, которой они занимались в германском урановом проекте во время войны. Это не так, хотя бы потому, что ни Макс Штеенбек и ни один из сотрудников его группы не были участниками «Уранового клуба» («Uranverein») Гитлера. Разделением изотопов Штеенбек никогда раньше не занимался – еще в молодости он понял, что «это тяжелая работа для Золушки». Идея защитить диссертацию в Кильском физическом институте по теме разделения изотопов хлора была отвергнута его научным руководителем, профессором Вальтером Косселем, который посчитал эту тему не актуальной, так как в то время никто не знал, что делать с разделенными изотопами даже в микроскопических количествах. В итоге Штеенбек в 1928 году защитил в Киле диссертацию по теме «Измерение абсолютной интенсивности рентгеновских лучей».

В свою очередь Циппе в интервью 14 октября 2003 года на вопрос профессора Хьюстона Вуда из Университета Вирджиния, был ли у него до Сухуми опыт работы с газовыми центрифугами, ответил: «Никакого опыта. Я знал, как пишется «центрифуга», но не представлял, как она работает!».

Работа над центрифугой началась с «чистого листа». В записке А.П. Завенягина в апреле 1946 года «Об использовании немецких специалистов» среди теоретических исследований и экспериментов группы Штеенбека разработка центрифужного метода отсутствует. В записке сообщается о расчете и конструировании центрифуги плотности — прибора для быстрого определения степени обогащения изотопов. Центрифугу-плотномер представляющую вертикальную центрифугу с прозрачной крышкой, делающую 25 оборотов в секунду, предложил доктор Вильгельм Дамес. По удалению частиц от оси вращения можно различить разницу в их плотности, равную одной миллионной /5, с.168/.  Однако, измерение изотопного состава по плотности оказалось недостаточно надежным из-за дефектов в кристаллической решетке частиц, и стали использовать другой метод, основанный на активации нейтронами и подсчетом α-частиц. Обогащение измерялось α-счетчиком, сконструированным доктором Вернером Хартманом, и масс-спектрометром, разработанным доктором Вернером Шютце в институте Герца.

Центрифуга-плотномер подтолкнула Штеенбека к идее разделять изотопы в газовой центрифуге. В конце 1946 года Штеенбек привлек к расчетам центрифуги своего сотрудника – математика Эберхарда Мельхиора. Они выполнили теоретический анализ процесса разделения, который был представлен на рассмотрение НТС ПГУ. По расчетам Штеенбека одна центрифуга длиной 4,5 метра может за сутки произвести полграмма урана, обогащенного в 10 раз, а расход энергии по этому методу будет во много раз меньше, чем при диффузионном и других методах. Чтобы на опыте убедиться, что длинная эластичная труба может устойчиво вращаться со скоростями в десятки раз быстрее, чем центрифуга-плотномер, была изготовлена опытная центрифуга высотой 120 см и диаметром 43 мм из латунной фольги. В качестве подшипника использовался стальной шарик. При помощи магнитного поля ротор центрифуги, похожий на отрезок резинового шланга, в воздухе набрал 33 000 оборотов в минуту. Для достижения расчетных 90 000 оборотов необходимо было смонтировать установку в вакууме.

Предложение Штеенбека получило одобрение НТС и работы по центрифуге были включены в планы 1947 года. Весь год проводились эксперименты, направленные на механическое обоснование центрифуги. К концу 1947 года ротор длиной 90 см и диаметром 58 мм устойчиво вращался с окружной скоростью около 300 м в секунду /7/. Трубы роторов для первых центрифуг изготавливались в мастерской института на токарном станке из нескольких слоев металлической фольги. Тонкая полоска фольги толщиной 0,1-0,2 мм наматывалась под углом на круглый сердечник и слои фольги пропаивались перед удалением сердечника. Для проведения пробных опытов по разделению в конце 1947 года была изготовлена центрифуга, чертеж которой приведен в отчете ЦРУ 1955 года (рассекреченном в 2008 году) /6, с. 8/, составленном по результатам опроса одного из репатриантов, прошедшего через «сито» западных спецслужб. Ротор центрифуги из слоев фольги имел толщину стенки 1,5 мм, внешний диаметр 50 мм и длину 40 см.

Для вращения ротора вначале использовали редуктор, увеличивающий в десятки раз скорость стандартного электродвигателя с 5 000 об/мин. Однако, шестерни редуктора выдерживали только до 80 000 об/мин. Для преодоления этого предела потребовался специальный высокочастотный привод с системой магнитов, укрепленных на роторе центрифуги. При этом труба ротора функционировала как якорь асинхронного двигателя. Ток высокой частоты подавался на неподвижную обмотку, обернутую вокруг камеры ротора. Скорость 100 000 об/мин оказалась критической для прочности паяных роторов, изготовленных из полосок фольги – при ее превышении происходил разрыв ротора. Вместо фольги стали применять дюралюминий, из слитков которого стали вытачивать цельнометаллические тонкостенные трубы для роторов с последующей холодной прокаткой и армированием. Эти меры позволили достигать скорости вращения до 150 000 об/мин без разрушения роторов диаметром 50 мм.

Для первых центрифуг система ввода и вывода рабочего газа была выполнена по аналогии с ранними центрифугами Джесси Бимса, описанными в открытых довоенных публикациях. Кстати, как выяснилось впоследствии, по такой же схеме работали центрифуги Вильгельма Грота, испытания которых проводились в Германии во время войны. Заполнение ротора рабочим газом и извлечение обогащенной фракции осуществлялось через тонкие отверстия в трубчатых валах подшипников, установленных на нижнем и верхнем концах ротора. В отличие от современных центрифуг, имеющих три коммуникации для ввода питания и вывода обогащенного и обедненного потоков газа, разделительный элемент с двумя коммуникациями в принципе не может работать в непрерывном стационарном режиме. Такая центрифуга, как и ранние центрифуги Бимса, могла работать только в периодическом режиме, при котором ее заполнение, извлечение обогащенной фракции и вывод обедненного продукта циклически повторялись.

Первые эксперименты по обогащению урана в Сухуми выполнялись в начале 1948 года на центрифуге с двумя концентрическими роторами из дюралюминия длиной 30 – 40 см. Разделение изотопов происходило в 6 миллиметровом зазоре между двумя цилиндрами. Наибольший наружный диаметр трубной системы был 60 мм. Рабочая скорость 1100 оборотов в секунду соответствовала окружной скорости 200 метров в секунду. Ротор работал в высоком вакууме. Схема центрифуги приведена в отчете ЦРУ 1957 года /7, с.20/.

Такая экзотическая конструкция ротора объяснялась тем, что Штеенбек  теоретически рассматривал процесс разделения между двумя бесконечными пластинами и не мог прогнозировать поведение полого ротора без концентрического цилиндра внутри. Для создания циркуляции газа вдоль стенок цилиндров с помощью труб (одна с горячей водой,  другая с холодной, намотанных спиралью вокруг корпуса) поддерживался перепад температур между цилиндрами. Как и в предыдущей модели, ввод и вывод рабочего газа (UF6) осуществлялся через отверстия в двух валах подшипников вверху и внизу ротора. В начале эксперимента установку заполняли UF6. В конце эксперимента верхний приемник охлаждался жидким воздухом, и обогащенный материал перемещался из верхней части по системе трубопроводов, которая не показана на схеме. В конечном итоге, трубопровод, расположенный ниже приемника, снимали, и приемник отправляли в измерительную лабораторию на анализ.

Предложение об использовании процессов конденсации-испарения гексафторида урана вместо газовых насосов при проведении опытов по разделению изотопов внес доктор Юстус Мюлленфорд, работавший в Сухуми. Предложенная им аппаратура имеет перед механическими насосами то преимущество, что в ней отсутствуют какие-либо подвижные части, кроме вентилей. Такой способ отбора проб применялся при испытаниях всех последующих центрифуг, разрабатываемых группой Штеенбека в Сухуми.

Испытания центрифуги с двумя концентрическими роторами длились до конца 1948 года. В начале результаты экспериментов были неудовлетворительными: устройство иногда выполняло деление изотопов урана, иногда нет. Через несколько месяцев Штеенбек неожиданно обнаружил фундаментальную ошибку: перепад температур между наружным  и внутренним цилиндрами был направлен не в ту сторону, что приводило к смешиванию UF6, обогащенного внутри центрифуги. После изменения расположения труб с горячей и холодной водой  центрифуга стала давать устойчивое обогащение в пределах 3,5-6 % (т.е. коэффициент разделения составил 1,035-1,06). Таким образом, летом 1948 года  было продемонстрировано первое в СССР обогащение урана в центрифуге!

Однако, поскольку количество фракции, обогащенной по легкому изотопу, было очень невелико по сравнению с тяжелым газом в этих ранних экспериментах, ради упрощения допускалось, что подаваемый в устройство газ имел ту же концентрацию, что и обедненная фракция.

Кардинальные изменения в конструкцию центрифуги внес доктор Эберхард Штойдель (1906-?). Он, как и Николаус Риль, был одним из немногих докторантов знаменитой Лизы Мейтнер. Под ее руководством Штойдель в 1932 году защитил в Берлинском университете докторскую диссертацию по расщеплению атомов алюминия и азота /11/. После вынужденной эмиграции Мейтнер в Швецию Штойдель работал в электротехническом гиганте AEG, запатентовал более полусотни изобретений в области электроники и телевидения. В Сухуми в качестве военнопленного он начал работать с Арденне над созданием электромагнитной установки для разделения изотопов урана. Спор между Штойделем и Арденне возник по выбору конструкционного материала для одного из узлов установки: Штойдель предлагал сделать узел из стекла, а Арденне настаивал на металле. В результате конфликта, Штойдель был  в переведен в группу Штеенбека и подключился к разработке газовой центрифуги.

Штойдель летом 1948 года предложил два принципиальных новшества: точечную опору (вместо двух подшипников) и электромагнитную поддержку ротора. Пустотелый ротор центрифуги опирался на конусообразную спиральную пружинку, укрепленную в центре нижней крышки. Устойчивое вращение поддерживалось системой автоматического регулирования, включающей электромагнитную катушку и датчик положения ротора с фотоэлементом. Для визуального наблюдения за работой центрифуги Штойдель выполнил ее корпус из стекла (видимо, сказалась любовь к телевидению). Штойдель  над созданием своего сложного «детища» работал девять месяцев. В начале 1949 года Штеенбек вернулся из Москвы и сообщил, что если в ближайшее время не будет получено вразумительных результатов, центрифужный проект будет закрыт. В связи с этим он поручил Циппе разработать более простую альтернативную конструкцию.

Циппе в своей центрифуге заменил спираль на простую иглу из проволоки для роялей, опирающейся на твердую пластинку, и загрузку газа в центрифугу осуществил непосредственно в полую ось ротора через вертикальную трубочку, вставленную (без касания) в отверстие в верхней крышке ротора. Отбор проб, как и в предыдущих моделях, производился путем конденсации на штырях, охлаждаемых  жидким воздухом. Точечная опора, предложенная Штойделем в виде конусообразной спирали и реализованная Циппе в виде фортепианной струны, стала первым элементом конструкции группы Штеенбека, используемым в последующих поколениях газовых центрифуг, включая современные модели. Ротор центрифуг с этого времени стал вращаться как волчок с одной точкой опоры.

Испытания центрифуг Штойделя и Циппе, характеристики которых приведены в таблице, проводились одновременно в конце марта 1949 года и дали обогащение около 6 % . Полученные результаты убедили Штеенбека в конкурентоспособности центрифужной технологии для разделения изотопов урана по сравнению с электромагнитной сепарацией и методом газовой диффузии. Теоретические оценки Штеенбека показали, что для промышленного применения центрифуги должны иметь длину около 5 метров. Последовавшие эксперименты с роторами длиной 50 см и 78 см дали обогащение 11,8% и 13,5%. В докладной записке Б.Л. Ванников и А.П. Завенягин, направленной Берия 6 июня 1949 года, подтвердили результаты экспериментов и изложили мнение Штеенбека о преимуществах центрифужной технологии. В записке сообщается, что план работ немецких специалистов на 1949 год рассмотрен и принят НТС ПГУ.


Штеенбек 13 августа 1949 подготовил для Берия записку о технических перспективах разделения изотопов методом ультрацентрифуги с предложением использовать центрифужную установку на завершающей стадии обогащения, для повышения содержания  U-235 в выпускаемом продукте газодиффузионного завода c 50 до 90%, как один из вариантов решения проблемы коррозии в диффузионном оборудовании. О достигнутых результатах Штеенбек 4 октября 1949 года доложил на секции № 2 НТС.  Результаты опытных работ были признаны удовлетворительными и принято решение разработку центрифуг продолжить, изготовить и испытать одну или две полупромышленных установки. Совет Министров СССР 14 февраля 1950 года утвердил план НИОКР на 1950 год, по которому «разработка и изготовление образцов вертикальных центробежных «насосов», определение технико-экономических показателей метода и целесообразности его промышленного применения» проводится под руководством Штеенбека. В начале 1950 года Штеенбек был освобожден от работы в отделе Арцимовича и сосредоточил усилия на разработке центрифуги в Сухуми.

1.5 Разработка и приемка лабораторного образца

Ободренные удачными экспериментами с короткими центрифугами и получив поддержку начальства, сотрудники Штеенбека начали «выращивать» длинную центрифугу. Начиная с трубы длиной 60 см, они перешли к 90 см, затем к 150 см и окончательно к трехметровым роторам. А.П. Завенягин, направляя в начале апреля второе письмо Штеенбека на имя  Берия, подчеркнул, что в институте «А» изготовляются три центрифуги длиной 4,5 метра. Для проверки последних результатов работы Штеенбека и оказания ему дальнейшей помощи ПГУ направляет комиссию в составе заместителя начальника 9-го управления МВД СССР по науке А.И. Лейпунского, начальника научно-технического отдела ПГУ И.И. Новикова и главного конструктора ОКБ Кировского завода Н.М. Синева.

Для разгона длинных роторов необходимо было решить проблему прохождения резонансных частот. Известно, что при увеличении длины собственная частота изгибных колебаний цилиндра снижается и, когда она совпадает с частотой вращения, создается критическая ситуация, при которой возникает большой риск разрушения ротора от вибраций. Эффект предельной скорости вращения длинных валов впервые обнаружил Уильям Ранкин еще в 1869 году /9/. В современной терминологии «подкритическая центрифуга» означает центрифугу с коротким ротором, который достигает рабочей скорости вращения, не проходя через критические резонансные частоты. И наоборот, «надкритическая центрифуга» с длинным ротором во время разгона проходит одну или несколько критических скоростей. Для решения этой проблемы Штеенбек предложил длинный ротор делать не из одной трубы, а  изготавливать его из взаимосвязанных коротких кусочков, разделенных эластичными соединениями в виде сильфонов. Эластичные соединения сохраняют критические скорости низкими, и позволяют ротору успешно ускоряться через них.

В конце 1950 года трехметровая надкритическая центрифуга была изготовлена и начались ее испытания. По воспоминаниям Николая Федоровича Лазарева /10, с.238/, начавшего в январе 1951 года работать лаборантом в группе Штеенбека, для испытаний между двумя комнатами на первом и втором этаже здания был прорублен пол: центрифуга по высоте не помещалась в один этаж. В обязанности дежурного лаборанта входил контроль числа оборотов ротора, его устойчивого (от колебаний) состояния, отпайка стеклянных ампул с обогащенным ураном, разборка центрифуги при разрывах ротора. Сборку же роторов проводил лично доктор Циппе. Он научился виртуозно балансировать длинные составные ротора, что значительно уменьшало амплитуду их резонансных колебаний. Кроме того, Циппе для облегчения разгона ротора разработал простое устройство, оснастив нижнюю опору тремя пружинами, так что она могла свободно перемещаться в масляной ванночке при прохождении критических частот.

Трехметровый ротор состоял из 10 коротких дюралюминиевых труб по 28 см и 9 сильфонов высотой по 2 см и 0,15 мм толщины. Сильфоны изготовлялись на специальном станке путем впрессовывания резины в алюминиевую трубу и наружный диаметр в точке максимальной выпуклости составлял 75 мм. Этот «вращающийся дымоход» диаметром 58 мм раскручивался до 220 м/с. Циркуляция газа в роторе обеспечивалась температурным градиентом в 50 0С, который создавался вдоль ротора с помощью двух трубок с горячей и холодной водой, а максимальная температура вверху центрифуги была около 700С.

Результаты испытаний превзошли все ожидания - характеристики трехметровой центрифуги оказались лучше, чем прогнозируемые для пятиметровой: коэффициент разделения достиг 3 при отборе 0,5 мг/с обогащенного продукта /7, с. 33/. Фактическая эффективность работы центрифуги составила 50 % от теоретической величины. По данным отчета ЦРУ центрифуга проработала свыше 3000 часов, причем после первых 1000 часов износ иглы составил несколько сотых миллиметра. После следующих 1200 часов работы дальнейший износ иглы был настольно мал, что не представлялось возможным его измерить. Следов износа неподвижной пластины из победита обнаружено не было. Достигнутые результаты работы немецких специалистов подтверждены в докладной записке на имя Берия, подготовленной Б.Л. Ванниковым, А.П. Завенягиным и B.C. Емельяновым 19 мая 1951 года.

Для рассмотрения результатов исследований и подготовки к переходу от стадии лабораторных работ к промышленному применению НТС ПГУ создал комиссию в составе: М.Д.Миллионщиков (ЛИПАН), Д.Л.Симоненко (ПГУ), И.И.Новиков (ПГУ), Н.М.Синев (Кировский завод), В.В.Мигулин (НИИ-5), Я.А.Смородинский (ЛИПАН), Е.М.Каменев (ЛИПАН), А.Н.Козлов (ГСПИ-II) /8, с.131/. Главный инженер проекта Алексеей Никитович Козлов сформировал группу специалистов проектного института, выезжавших в Сухуми для сбора исходных материалов. Результаты расчетов показали, что капитальные затраты на изготовление центрифуг будут несколько выше, чем стоимость газодиффузионного завода, однако низкое энергопотребление газоцентрифужным заводом может привести к снижению стоимости обогащенного урана. В ноябре 1951 года Новиков в техническом докладе сообщил Завенягину и Емельянову состояние разработки и перспективы развития центрифуги. В докладе отмечено, что центрифуга снижает потребление энергии в 4-5 раз и затраты по сравнению с методом диффузии уменьшаются на 40 %. В рамках комиссии были оценены параметры будущей промышленной установки из 13000 центрифуг, соединенных в каскад из 16 ступеней /8, с.132/.

Для технологического прорыва центрифужной технологии комиссия рекомендовала подключить к разработке опытных инженеров и технологов, которые отсутствовали в рабочей группе Штеенбека. На основании полученных технико-экономических оценок, рассмотренных НТС, 8 июля 1952 года было принято Постановление СМ СССР о передаче разработки центрифуг в ОКБ Кировского завода. В сентябре 1952 Макс Штеенбек с помощницей Эммой Берген, Рудольф Шеффель с семьей и семь самых квалифицированных советских специалистов из группы Штеенбека вместе с центрифужным оборудованием были доставлены из «Синопа» в Ленинград на Кировский завод. Гернот Циппе остался в Сухуми, ожидая скорого освобождения из плена и возвращения в Германию после окончания лабораторной стадии работ, как было предусмотрено в его контракте.

Литература к 1 части

1.   Михаил Клецкий, ВЫБОР (без даты)

2.   Дровеников И. С., Романов С. В. УРАН-45. —Природа № 6, 2004

3.   Николаус Риль в атомном проекте СССР /авт.-сост. В.Н. Ананийчук. Снежинск: Изд-во РФЯЦ — ВНИИТФ, 2011 г. - 256с.

4.   Chabashvili M. , Japaridze G.I., Lordkipanidze Sh., Pataraia T., and Rostomashvili Z. (2013) “Nuclear research in Soviet Georgia" / In: “Georgia’s Nuclear Odyssey”. Civil Councel on Defence and Security CCDS, Tbilisi, pp. 9-36.

5.   Штеенбек М., Путь к прозрению  /Пер. с нем. — М.: Наука, 1988.— 304 с.

6.   The Development of an Ultracentrifuge at the Nuclear Institute of  Manfred von Ardenne in Sinop,СIA Report, 10 June 1955, 9 p. (опубликован в 2008 году)

7.   The Problem of Uranium Isotope Separation by Means of Ultracentrifuge in the USSR, CIA Report,  1957, 61 p. (фрагменты опубликованы в 2010 году)

8.   Helmbold, Bernd, Forschungstechnologien und Wissenschaftspolitik in der Biografie des Physikers Max Steenbeck (1904-1981), Dissertation PhD, 2016

9.   Rankine, W. J., “On the Centrifugal Force of Rotating Shafts",  Engineer, Vol. 27, 1869, p 249

10. Горобец Борис, Трое из Атомного проекта. Секретные физики Лейпунские, Москва, Изд-во УРСС, 2007

11. Humboldt Chancengleich, Sonderausgabe Lise Meitner , 6. Jahrgang, November 2014

* * * * *

(продолжение следует)

Иллюстрации

 

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Время и судьбы
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Время и судьбы:
О.Пеньковский - «шпион века» или «подстава» КГБ?

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 4.93
Ответов: 16


Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 3 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Газовые центрифуги для разделения изотопов. История создания в СССР (Всего: 0)
от Гость на 04/02/2019
Интересная история даже для тех, кто не знаком с разделительным производством. Только непонятно, почему при таких достижениях в развитии центрифуг к 1950 году, внедрять в помышленное производство их начали только через 10 лет? Почему не сконцентрировались на совершенствовании центрифуг сразу после 1950 года? И еще, кто из наших инженеров-исследователей работал в группе Штеенбека-Циппе, кто подхватил это направление после ухода Циппе?


[ Ответить на это ]


Re: Газовые центрифуги для разделения изотопов. История создания в СССР (Всего: 0)
от Гость на 05/02/2019
Спасибо за интерес, проявленный к статье!  На последний вопрос о советских специалистах, работавших в группе Штеенбека в Сухуми, кроме упомянутого в статье молодого лаборанта Н.Ф. Лазарева можно было бы еще назвать фамилии к.ф-м.н. Кирвалидзе И. Д., научных сотрудников  Григоряна Н.П., Резикяна А.М., Оганесяна О.М., Хелая Г.И., Бурдиашвили Ш.С., Репина. Эти фамилии названы в документах и материалах Атомного проекта СССР /том 2, кн.4, с.662 и том 2, кн.5, с.620/ но никаких других сведений об этих людях выявить не удалось, за исключением Шалвы Сабовича Бурдиашвили, который в основном работал в группе Питера Тиссена и вместе с ним Постановлением СМ СССР от 6 декабря 1951 № 4964-2148сс/оп удостоен Сталинской премии за разработку технологии производства трубчатых фильтров для диффузионных машин. В книге В.И. Сергеева упоминаются фамилии А.С. Вознюка и И.Н. Арзамасова, которые приехали в Ленинград из Сухуми вместе с Штеенбеком. Они будут отмечены в следующей части, при описании длительного процесса превращения лабораторного образца центрифуги, испытанного в 1951 году, в промышленное изделие и создание опытного завода в 1957 году. С уважением, автор.

 




[
Ответить на это ]


Re: Газовые центрифуги для разделения изотопов. История создания в СССР (Всего: 0)
от Гость на 05/02/2019
Спасибо! С нетерпением жду продолжения


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.10 секунды
Рейтинг@Mail.ru