苏联核裂变材料的生产与核计划的实施(1945-1949)(3)
http://www.newdu.com 2024/11/27 12:11:57 《史学集刊》2019年第3期 张文华 参加讨论
三、核裂变材料的工业生产 核裂变材料的工业生产具有试验性特征，817综合厂生产钚的技术、813厂的气体扩散装置、814厂的电磁装置都是在工业生产中不断完善的，这种试验性注定了在工业实践过程中会遇到诸多难题。 1.钚-239工业生产的形成：石墨堆与重水堆的比较 817综合厂的学术负责人是И.В.库尔恰托夫，前三任厂长是П.Т.贝斯特洛夫、Е.П.斯拉夫斯基和Б.Г.穆兹鲁克夫。曾用代码有车里雅宾斯克-40/65、10号基地、苏联工业建设总局南乌拉尔办事处等，1967年改名为灯塔综合厂。它建有石墨堆、重水堆、放射化学厂和化学冶金厂，截至1949年8月29日，共有10118名工作人员。(33) А石墨堆的主要任务是通过核反应堆辐照金属铀，获得辐照铀。1948年6月19日，石墨堆投入使用，它是亚欧大陆上第一个核能工业装置，从此，苏联开始了钚-239的生产历史。但由于遇到一些技术故障，直到1948年底，石墨堆才生产出第一批辐照铀溶液，1949年3月26日之后开足马力全面运行。 石墨堆运行中遇到的最为严重的问题是铀棒的铝外壳遭到强烈腐蚀，随着其腐蚀的加剧，铀棒膨胀、铀表面出现褶皱和凸起，铀棒被卡在冷却管道中，导致在1948年底管道出现大规模泄露，1949年1月20日石墨堆被迫停止运行。为了消除故障，需对铝外壳进行阳极氧化处理。由于当时苏联没有备用的铀块，如何在替换外壳的同时，还保存有价值的铀块和辐照铀，这是一道难题。当时制定了两套方案，一是从反应堆的底部卸载铀棒，二是从反应堆的顶部用“吸盘”吸出铀棒。由于第一套方案容易破坏铀块，最终采取了第二套方案，共吸出了约3.9万个铀块，耗时34天，(34)经过干燥处理后，铀块再次装载到经过阳极氧化处理的新铝合金管道中。这一过程的污染性特别强，存在γ射线的高度辐射，作业人员大都承受了过度辐射。 Б放射化学厂的主要任务是利用放射化学法从辐照铀中分离出钚-239，并清除裂变的衍生物和所有杂质。首任厂长是П.И.多切内，学术负责人是苏联科学院通讯院士、镭研究所副所长Б.А.尼基京，镭研究所和第九科学研究所协助浓缩钚溶液放化技术的研发工作。该厂包括2号部门(辐照铀块的溶解)、3号部门(从分裂物中纯化铀与钚)、6号部门(从铀基岩中分离钚)、7号部门(富集钚)、8号部门(镧-氟化法浓缩和纯化钚)、12号部门(利用萃取法从铀残渣与裂变产物中浓缩和净化钚)。 1948年12月22日，А反应堆生产出的第一批辐照铀用铝制外壳包裹送到Б厂进行加工，Б厂利用钚和镧组成的氟化物，通过化学方法分离高活性裂变物，从而获得浓缩钚溶液，它是获得武器级钚(35)的原料。在放射环境中，管道和压缩机有多处管道泄露，导致出现钚“消失”的情况(钚沉淀在设备和运输管道内)。为此，需要大量的技术人员、工程师、操作人员、电工、焊工和钳工，定期更换阀门、补焊管道等，在没有任何保护的情况下，工作人员遭到了严重的辐射。虽然代价巨大，但Б厂最终获得了科学和技术上的成功。在设备材料上，抗腐蚀的有机玻璃、聚氯乙烯塑料等人工合成材料替代金、银等贵金属。在技术方法上，最初纯化钚的醋酸氟化法被乙醚萃取法所取代。最终于1947底，Б厂获得第一批微克质量的钚浓缩物，1948年获得毫克质量的钚浓缩物，1949年2月26日生产出第一批硝酸钚溶液送到В厂进行深加工。 В化学冶金厂的主要任务是利用化学冶金法从钚溶液中提纯金属钚，并通过机械锻造法将其加工成原子弹的部件。首任厂长是А.В.弗洛罗夫，学术负责人是А.А.博奇瓦尔，参与研发提纯金属钚的机构是第九科学研究所、普通化学和有机化学研究所。该厂由9号化学车间、冶金部门和4号铸造-机械车间组成。 1949年2月20日，В厂开始运行，2月26日24点开始对从Б厂获得的第一批钚溶液进行提纯工作。第一步是要分离杂质，深度净化钚，这项工作由9号化学车间完成。它最突出的贡献是推翻了第九科学研究所提供的精炼技术——硝酸钚沉淀法，确定了草酸钚的硫化物纯化法和重结晶法，这大大增加了从硝酸钚溶液中提取钚的浓度，消除过氧化物的沉积，将提取率从50％提升到90％。一个半月后В厂获得了第一批光谱纯度的二氧化钚，约10克。(36)它被送到冶金部门进行氯化，1949年4月19日，获得第一批氯化物，重8.7克。(37)同日，它被送到冲压部门，制成苏联的第一块钚锭。但此时钚的萃取率相对较低，经分析发现，炉渣中残留大量的钚，特别是衬里。(38)衬里的材质用氧化镁替换氧化钙之后，萃取率提高到97％。最后一个环节是在4号车间完成的，车间主任是А.А.博奇瓦尔和А.С.扎伊莫夫斯基，它由铸造部门、模压部门、金相实验室和切割加工部门组成。1949年4月，钚锭从9号车间送往4号车间。4号车间的工作人员首先借助牙钻或手术刀剔除钚锭中的夹渣。之后，开始用镓铸造钚合金锭，并用专门的工具研磨光滑。为了便于验收，在最终产品的表面涂上一层镍，并进行氧化处理。 在这一过程中，从美国获得的关于“小胖子”原子弹(39)结构的核情报帮助817综合厂明确了钚部件的体积和重量，以及可容许的杂质范围。1949年8月5日，817综合厂生产出了足够量的钚材料，并加工成零部件，于8月9日通过原子弹的总设计师Ю.Б.哈里顿院士、军事代表В.Г.库兹涅佐夫的验收，三周之后，即1949年8月29日苏联成功试爆了第一颗原子弹。 由于技术水平有限，苏联核原料的有效利用系数极低，钚-239的造价极高，1950年为1515.2万卢布/千克；(40)生产效率也极低，产量不超过100克/天，每年的产量仅够制造两三颗钚弹，为了批量生产核弹头，817综合厂必须不断改进生产技术、扩大生产规模。 重水堆生产钚的工艺流程与石墨堆类似，可以与其共用放射化学厂和化学冶金厂。ОК-180工业重水堆于1951年11月17日运行，不久之后，它的运行就遇到了紧急情况，11月份克孜勒塔什湖的水温下降至0-3℃。热交换器的温度低于3.8℃，重水就会结冰，反应堆中的重水循环停止，然而由于铀块剩余能量的释放，部分重水又开始沸腾，导致重水堆被迫停止运行。为了避免此类事故，馏出物的温度绝不能低于8℃。ОК-180重水堆遇到的最严重的问题是反应堆排放装置(由高尔基厂专门设计院设计)故障，当铀块从工艺管道卸载时，钚被卡在锅炉的排放装置内，以致剩余热量较大的块体积聚，不仅导致块体本身过热乃至熔化，还导致水力传导元件的烧毁，以及整个反应堆排放系统的失效。为了消除该故障，反应堆长期关闭，最终于1966年被拆除。之后，又新建了一座与之运行原理截然不同的重水堆ОК-190М。 总之，在钚材料生产的初期阶段，石墨堆、重水堆同步运行。相较于石墨堆，重水堆的优势是所需核原料少、产量高、有效利用率高，ОК-180重水堆装载的铀量是А石墨堆的1/10，对缺乏铀的苏联来说，这是非常适用的。但重水堆在发展初期就遇到了一系列技术难题，以致于其投入运行的时间比石墨堆晚了3年，最终是石墨堆为苏联的第一颗原子弹提供了钚材料。 2.铀-235工业生产的形成：气体扩散法和电磁法的结合 813厂的首任厂长是А.И.丘林、学术负责人是И.К.基科因，曾用代码有5号基地、苏联城市建设总局乌拉尔地区技术装备基地、上涅伊温斯基国有机械制造厂，1954年改名为乌拉尔电化综合厂。截至1949年8月29日，共有6335名工作人员。(41) 在主要设备尚未完成测试的情况下，813厂就已经着手设备的安装工作。813厂安装的扩散机主要有三种类型：ОК-7(小型)、ОК-8(中型)和ОК-9(大型)，安装顺序先是小型扩散机，后是中型和大型扩散机。第一批ОК-7于1948年初运达，5月完成安装并投入使用，但不久之后便大量停机，原因是水压系统出现空气泄露的情况。在机器运行过程中，发动机的转子与定子分离，陶瓷套爆裂，进而导致泄漏。这需要更换新转子，消除氟化铀与变压器铁芯之间的相互作用。但更换后，ОК-7、ОК-8级联仍旧无法正常工作，原因是压缩机电气驱动装置的滚珠轴承滞塞或轴承高度磨损导致机械停止运行。解决这一问题，需要更换5500台机器的轴承并调整装配，以消除轴承故障。 更严重的问题是在级联中工作气体六氟化铀无法实现高度分解，导致高浓度六氟化铀的液流实际上没有达到终端级，大部分六氟化铀转化为四氟化铀粉末沉淀在机器的内壁上，经过整个级联之后释放出的是四氟化铀，这意味着一切都回到了原点。为此，И.К.基科因向政府请求派德国科学家来813厂考察。考察后，德国科学家认为，813厂的技术还很落后，距离真正掌握气体扩散技术还很遥远。之后，贝利亚也来到现场，听取了И.К.基科因等人的汇报之后，他说道：“我知道你们已经做了很多工作。在战后国家经济十分困难的情况下，政府给了你们所要求的一切。我现在有权要求你们完成任务。我给你们三个月的时间，如果不能完成，那么后果自负。”(42) 贝利亚命令苏联科学家А.Н.弗鲁姆金、А.П.维诺格拉多夫、В.А.卡尔扎温，以及德国科学家П.А.蒂森等人协助查找气态六氟化铀转化为四氟化铀粉末的原因。经研究发现，主要是ОК-7和ОК-8发动机的定子和转子的表面化学性质极不稳定。在工作状态下，发动机温度上升，腐蚀加剧。于是专门委员会决定将其替换成最新研发的机器ОК-6，它有可熔酚醛树脂做成的陶块隔墙，表面涂上干燥油，发动机的定子与转子分开。此外，П.А.蒂森和В.А.卡尔扎温建议对所有级联机器管道的内壁表面用加热的空气氟化混合物进行钝化处理。 1949年11月，813厂交付了第一批产品，铀-235浓度为75％的铀。但ОК-7和ОК-8的更换，以及机器内壁和多孔过滤器的钝化处理直到1950年才完成，此后苏联科学家才真正掌握了气体扩散技术。全面运行后，813厂共安装了1.056万台气体扩散机。(43)但由于六氟化铀的损失比预计的高5～6倍，其获得的铀-235浓度仅为75％，而铀弹所需的浓度为94％，因此，813厂并没有彻底完成武器级铀的生产任务，这个任务交由814厂继续进行，直到1954年，813厂新建的分厂Д-4投入使用后，它才可以独立生产出铀-235的浓度为94％的武器级铀。 814厂是利用电磁法分离同位素铀的工厂，首任厂长是Д.Е.瓦西里耶夫，学术负责人是Л.А.阿尔济莫维奇，曾用代码斯维尔德洛夫斯克-45。截至1949年8月29日，共有1266名工作人员。(44) 自1950年春开始，814厂进行安装、调试和试运行工作，1950年第四季度投入使用，813厂将铀-235的浓度为75％的铀送到这里继续加工，最初，其计划产量为4-5微克/小时；进入工业生产之后，为150克/天。(45)1950年12月，814厂生产出第一批铀-235的浓度为94％的武器级铀，1951年它为第一颗铀弹提供了铀装料。尽管电磁装置存在一些缺点，妨碍了电磁法在工业中的推广，但正是电磁法在苏联获得第一颗铀弹所需的武器级铀中发挥了关键性作用。这一时期，武器级铀的造价很高，1950年为1233.5万卢布/千克。(46) 总之，813厂和814厂合作为第一颗铀弹提供了铀装料。与气体扩散法相比，电磁法的主要优点是：在相同周期内分离系数更高；有通用性，可以在同一设备上分离各种稳定和放射性元素的同位素。缺点是：生产效率低，如果出现重大损失铀不可回收，能源消耗大，运营成本高。因此，利用电磁法生产的武器级铀十分有限，只能满足苏联第一颗铀弹的需要。第一颗铀弹试爆之后，814厂由于生产成本高昂而被改组成418厂，生产核聚变材料锂-6和批量生产核武器零部件，813厂则继续武器级铀的生产。 (责任编辑：admin) |