19
При распределении атомных тем в конце 1945 года Радиевому институту досталась «разработка технологического процесса извлечения плутония из металлического урана». Иными словами — технологический проект завода «Б».
Выбор для этой работы РИАНа во главе с академиком Хлопиным был обоснованным и оправданным.
Когда-то, в годы гражданской войны, молодой профессор Виталий Григорьевич Хлопин со своими сотрудниками освоил технологию выделения радия из урановой руды. Некоторые участники этой героической научной эпопеи были ещё живы и продолжали работать в Институте, так что Хлопину было на кого опереться в этой ответственной работе.
В отчете Смита обобщенному описанию этой технологии предпослана выстраданная, знаменательная фраза: «Разрешение многих химических вопросов было одним из наиболее замечательных достижений металлургической лаборатории».
Многим руководителям советского атомного проекта, в том числе и Курчатову, это утверждение казалось несколько преувеличенным.
То ли дело ядерный реактор — исключительно новое, первозданное творение человеческого разума. Именно от него ожидали любых сюрпризов, непредвиденных аварий и даже человеческих жертв. Химические же процессы представлялись достаточно хорошо изученными и опробованными на практике ещё в XIX веке.
И всё-таки Смит был прав. Радиохимическая технология выделения плутония из облученного в реакторе урана оказалась самой сложной и опасной частью атомного проекта. Расплатой за недооценку большой промышленной химии были многочисленные невинные жертвы.
Разработка технологии в лабораторных условиях была затруднена наличием в руках ученых только микроскопических количеств плутония. В начале 1946 года, когда началась эта работа, облучить уран можно было только с помощью радие-бериллиевых источников или циклотрона, в котором создаются более мощные пучки нейтронов. Но нейтронный поток даже очень мощного циклотрона не идет ни в какое сравнение с потоками нейтронов внутри ядерного реактора. Экспериментальный котел Ф-1 тогда только проектировался.
Поэтому те облученные урановые блочки, которые были предоставлены в распоряжение научных работников РИАНа, в 1946 году содержали в себе всего несколько микрограммов плутония.
Для отработки технологии приходилось использовать микропипетки и микропробирки, а для наблюдения — бинокулярный микроскоп.
Вторая трудность заключалась в наличии примесей. В облученном уране плутония содержится десятые или даже сотые доли процента. И ровно столько же, если не больше, находится в уране осколков деления ядер урана-235 — радионуклидов. Ядра урана делятся произвольным образом, и поэтому осколки деления представляют собой смесь десятков самых разных химических элементов, в том числе и газов. С точки зрения технологии все эти осколки являются паразитными примесями, от которых необходимо освободиться. Сложность заключается в том, что все эти осколки предельно радиоактивны. А потому весь химический процесс выделения плутония приобретает характер исключительно опасный для здоровья и жизни окружающего персонала.
Рекомендация Смита:
«Все технологические операции необходимо производить на значительном расстоянии от густонаселенных районов и строить специальные, достаточно большие хранилища для радиоактивных отходов…
Громадная активность радиации от продуктов деления, сравнимая с радиоактивностью многих килограммов радия, требовала применения дистанционных методов во всех химических операциях.»
В декабре 1945 года в РИАНе были созданы три бригады ученых для параллельной разработки различных химических методов выделения плутония. Через три месяца кропотливой работы в Институте состоялся технической совет, на котором заслушивались доклады руководителей всех трех групп: Ратнера, Гринберга и Никитина.
После острой дискуссии наиболее перспективным был признан ацетатный метод, разрабатываемый группой профессора Ратнера под патронажем Хлопина. Этот метод основан на том, что плутоний, как и многие другие химические элементы, проявляет в разных химических соединениях разную валентность. Он может быть трехвалентным (восстановленное состояние) и шестивалентным (окисленное состояние). В зависимости от этого состояния меняется растворимость плутония в некоторых средах и некоторые другие химические свойства.
Первая технологическая операция напрашивалась сама собой. Облученные блочки урана надо было растворить в какой-либо кислоте, поскольку все химические операции можно практически производить только с растворами. После растворения первый этап технологического процесса заключался в освобождении от всех радионуклидов, «загрязняющих» производство.
Наиболее перспективным на этом этапе Хлопин считал метод сокристаллизации, хорошо изученный ещё в двадцатые годы при выделении радия из урановой руды. Метод заключался в искусственном соединении в общие кристаллы выделяемого элемента и элемента-носителя. Для плутония носителем мог служить сам уран, который по атомной массе и некоторым свойствам близок к плутонию. Шестивалентный плутоний и уран изоморфны, то есть в кристаллических соединениях способны замещать друг друга, образуя общие кристаллы переменного состава. Поэтому после растворения урановых блочков в азотной кислоте и окисления плутония до шестивалентного состояния можно проводить процесс окислительного осаждения. Он заключается в том, что к полученному раствору надо добавить вещество, которое, вступая в химическое соединение с ураном, образовывало бы нерастворимый кристаллический осадок. В качестве подобных осадителей в химии используют соли уксусной кислоты — ацетаты.
Следующей процедурой являлось разделение раствора и осадка (декантация). Сливаемая жидкость — декантат — бесполезный, но высокорадиоактивный отход производства. Уже тогда, на стадии лабораторного опробования, был выявлен основной недостаток ацетатного метода — образование большого объема жидких высокоактивных отходов (ВАО).
На каждую тонну перерабатываемого урана будет получаться 50 тонн жидких отходов! После промывки кристаллического осадка от остатков радионуклидов предстояла центральная стадия процесса: отделение плутония от урана. Для этого кристаллический осадок снова растворялся в азотной кислоте, после чего плутоний специальными химическими добавками к раствору восстанавливался до трехвалентного состояния. При этом он терял свою изоморфность с ураном. Поэтому при новом добавлении осадителя в осадок выпадало только соединение урана, а плутоний оставался в растворенном состоянии.
Остававшаяся в осадке урановая пульпа отфильтровывалась, утилизовывалась и уходила в новый производственный цикл.
Азотнокислый раствор плутония поступал дальше на очистку от остатков урана и радионуклидов, производимую лантан-фторидным методом. Использование «агрессивного» фтора для очистки предъявляло повышенные требования к материалам аппаратов и трубопроводов, поскольку наличие фтора в реагентах многократно усиливало процесс коррозии.
Конечным продуктом технологической цепочки являлся концентрированный раствор плутония в азотной кислоте. В таком виде плутоний должен был поступать дальше на химико-металлургический завод «В» для аффинажа (доочистки), получения металлического плутония и выплавки из него сердечников для атомной бомбы.
Для хранения жидких высокоактивных отходов было решено вдали от основного здания радиохимического завода построить специальное хранилище (комплекс «С»). «Хранилище» можно считать лишь условным названием предполагаемого бетонного каньона. Жидкие сбросы могли отстаиваться в нем
