ЮРИЙ МУХИН - СССР имени БЕРИЯ
Чтобы было легче это понять, я представляю себе ядро атома в виде ягоды малины – она ведь тоже кругленькая, а сама состоит из кругленьких частичек, ботаники называют их костянками, а я именно так представляю себе протоны и нейтроны.
Количество протонов определяет вид химического элемента.
Если у химического элемента в ядре один протон, то это химический элемент водород, если два – то гелий, если три – то литий и так далее. А вот нейтронов в ядре может быть разное количество, и получается, что может быть один и тот же химический элемент, но с разным весом атома. Такие разновидности называются изотопами. Например, если в ядре атома водорода вообще нет нейтрона, то это просто водород, а если, кроме протона, есть и нейтрон, то это изотоп водорода и называется он дейтерий, а если два нейтрона, то это тритий. Впрочем, это только изотопам водорода дали собственные имена, у остальных элементов они различаются по сумме протонов и нейтронов в ядре, в общем смысле – по атомному весу.
Так вот, у некоторых химических элементов есть изотопы с особыми свойствами. Если по ядру этого изотопа ударить нейтроном, то его ядро развалится на две части с выделением очень большого количества энергии, мало этого, из ядра вылетят еще несколько нейтронов, которые ударят по соседним ядрам, а те тоже развалятся. Это называется цепной реакцией, и в результате ее ядра некоторого объема вещества могут разделиться в миллионные доли секунды, а выделившаяся энергия будет огромна. Произойдет взрыв огромнейшей силы.
Между прочим, эту реакцию можно и замедлить, тогда выделяемую энергию можно будет использовать для получения, скажем, электроэнергии.
Химических элементов, которые могли бы служить взрывчаткой для атомной бомбы, на сегодня известны два.
Во-первых, это изотоп урана с весом 235 атомных единиц, то есть такой, в ядре которого находится 92 протона и 143 нейтрона. Такой уран в природе есть, и, значит, мы его можем получить прямо из природы. Второй химический элемент, который можно использовать для атомной бомбы, это плутоний. У него в ядре 94 протона и 145 нейтронов. Плутония в природе нет, и его надо получать искусственно.
Предположим, что у нас уже есть и уран-235, и плутоний в нужном для бомбы количестве, и тут возникает масса вопросов, которые неизвестны. Начиная с того, каковы свойства урана и плутония – можно ли их обрабатывать, скажем, ковать. Не агрессивны ли они, не разлагаются ли в порошок при хранении, сколько надо урана и плутония, чтобы произошел атомный взрыв, как соединить в бомбе атомную взрывчатку, чтобы произошел все-таки взрыв, а не просто разброс этой атомной взрывчатки в разные стороны от выделения тепла. Конструирование атомной бомбы – это вопрос огромнейшей сложности.
Но вся эта сложность – это чепуха, понимаете, товарищ Сталин, – чепуха по сравнению с теми сложностями, которые предстоят при получении урана-235 и плутония. Вот эта работа – упаси господь! Не знаешь даже, с чего начать.
Начну с того, что запасы урана у нас практически не разведаны, на сегодня наши запасы урана – 370 тонн, и даже Курчатову исследования начинать пока не с чем. Ищем уран по всему СССР и Европе, кое-что взяли трофеями в Германии, думаю, что нужные 50 тонн для него все же найдем, и к концу года Курчатов сумеет запустить хотя бы опытный реактор.
Но это опытный реактор, на нем плутония для атомной бомбы не наработаешь.
Но вернусь к руде. В природе уран находится в основном в виде урана-238, изотопа уран-235 в этом природном уране всего 0,711% от всего урана. Правда, для работы реактора – для наработки нужного для бомбы количества плутония, и эта смесь годится, главное добыть хотя бы этот уран.
А тут такое положение: в собственно урановой руде – в том, что геологи называют урановой рудой, – урана в лучшем случае 2 килограмма в тонне, а, судя по всему, вскоре нам придется перерабатывать и руды с содержанием 200 граммов урана в тонне. Но чтобы добыть эту руду, надо перелопатить пустую породу. Как мы оцениваем, для получения 1 тонны металлического урана нам придется добыть и переработать 100-120 тысяч тонн различных минералов.
Тонна урана занимает объем чуть больше, чем бочонок в 50 литров, а чтобы эту тонну получить, нужно переработать 2000 полностью груженных железнодорожных вагонов сырья!
Представляете?
Но даже эта тонна такого урана прямо для бомбы не годится. Этот уран нужно либо грузить в ядерный реактор для получения плутония, либо извлекать из него те 0,711% изотопа уран-235. И вот тут проблемы только нарастают.
Ну, начнем с того, что для управления реакцией получения плутония из урана-238 в реакторе, в промышленный реактор нужно загрузить примерно 150 тонн урана и не менее 1000 тонн блоков из чистейшего графита. Графит и алмаз – это химический элемент углерод, так вот, графит для реактора должен быть по примесям чище, чем чистейшей воды алмаз. Как такой графит получать в таких количествах, тоже пока неизвестно.
Графит замедляет нейтроны, но их можно замедлить и с помощью тяжелой воды – это вода, в молекуле которой вместо двух атомов водорода два атома дейтерия. Такие реакторы будут даже экономичнее графитовых, поскольку потребуют меньше урана для своей работы. (Хотя они будут более опасными). Но на сегодня производство тяжелой воды- это совершенно нерешенная проблема, и даже, по нашим прикидкам, более тяжелая проблема, нежели получение чистого графита. Поэтому, думаю, мы сначала начнем получать плутоний в реакторах с графитом.
Такой реактор для получения плутония будет работать месяца три, только после этого в урановых брикетах в этом реакторе накопится плутоний в мало-мальски достаточных количествах. Эти урановые брикеты нужно будет извлечь из реактора, растворить, выделить из урана плутоний (пока неизвестно как), и вот уже этот плутоний, после пока неясной его обработки, можно будет использовать для создания атомной бомбы.
– Прервись, сколько плутония будет в уране после трех месяцев работы промышленного реактора? – спросил Сталин.
– Если ориентироваться на американцев и на наши расчеты, то не более 0,01%, то есть максимум до 100 граммов в тонне обработанного в реакторе урана, но сколько мы плу82 тония сможем извлечь из этой тонны на самом деле, пока не ясно, может, граммов 50-60.
– То есть со 150 тонн урана, обработанного в реакторе, через три месяца получим до 10 кг плутония. А сколько нужно для одной маленькой атомной бомбы?
– Столько, примерно, и нужно.
– Значит, с одного промышленного реактора мы сможем получать четыре бомбы в год?
– Хотелось бы, да сразу столько вряд ли получится.
В этом деле пока ничего не известно – нет ни одной опробованной технологии ни в одном процессе, требуемом для создания этой бомбы, поэтому думаю, что нас ждут годы аварий и срывов.
– Это понятно, но, надеюсь, что и ты понимаешь, что все трудности нужно устранять как можно быстрее. У нас нет времени на эти аварии и срывы. Кстати, ты сказал, что у нас разведано всего 370 тонн запасов урана, а только на одну загрузку реактора нужно 150…
– Пока что мы основную добычу урана ведем в Германии и Европе, а свои запасы пока разведываем. Думаю, что с этим проблемы не будет – найдем! Лучшие силы геологов работают. Через год, полагаю, в добыче урана у нас будет занято до 600 тысяч человек.
– Сколько, сколько?! – встревожился Сталин.
– Меньше не получится.
Сталин покачал головой.
– М-да…Значит, к концу года мы запустим исследовательский реактор… А когда начнем строить промышленный?
– Уже начали. Производство плутония будет огромным комбинатом, и как этот комбинат будет выглядеть, примерно понятно. Вот мы и начали строить, а подробности, которые получит на исследовательском реакторе Курчатов, учтем, когда начнем монтаж собственно промышленного реактора.
Надеюсь, что мы его введем в строй не позже 1948 года.
– Хорошо бы. Ладно. Но ты говорил о возможности выделения изотопа урана-235 из урана. Как идут дела в этом направлении?
– Есть, в принципе, несколько способов, однако часть из них пригодна, скорее, для лабораторных исследований, а для промышленности подходят два – диффузионный и центрифужный.
– В чем их смысл? Как он разделяют 238-й и 235-й ура¬ ны? – поинтересовался Сталин.
– Эти изотопы – это один и тот же химический элемент, поэтому никакими химическими способами разделить их невозможно. Приходится крутиться.
Уран сначала переводят в газообразную форму – соединяют со фтором в шестифтористый уран – гексафторид урана, а это газ. Так делают американцы, да мы, собственно, так бы перевели уран в газообразную форму и без них. После обработки урана фтором получается газ, в котором молекулы урана-238 чуть-чуть тяжелее, нежели молекулы урана-235.
Разница на обычный взгляд ничтожна – молекула гексафторида урана-238 весит 352 атомные единицы, а молекула гексафторида урана-235 – 349 атомных единиц. Если считать, что молекула 235-го весит килограмм, то молекула 238-го будет весить килограмм и еще 8 грамм. Эту разницу – эти 8 грамм в килограмме, в обычной жизни ни на каких весах не определишь. Вот, скажем, тоже не простое дело – разделить молоко на обрат и сливки. Так здесь, если объем сливок весит килограмм, то такой же объем обрата весит килограмм и 120 грамм, т.е. разница заметная, почти 12%, а при разделении изотопов урана – всего 0,8%. Вот за такую соломинку- за эти 0,8%,- приходится цепляться.
