Первую технологическую очередь завода Д-3 начали запускать в ноябре 1950 года. Причем оборудование не простаивало в ожидании, когда полностью завершится монтаж. От завода Д-1 были протянуты межкаскадные коммуникации, благодаря которым секции новых машин сразу включались в единую технологическую цепочку. В декабре 1951 года новый завод был полностью введен в действие. Образовалась единая линия очистки из девяти с половиной тысяч машин: на Д-1 - 7284, на Д-3 - 2242 более современных и производительных. Объединные в 61 каскад, они позволили увеличить выход конечного продукта в 6 раз!
Конец 1940-х годов ознаменовался развязыванием холодной войны, которая тут же едва не превратилась в "горячую". США, недовольные исходом гражданской войны в Китае, готовы были применить атомное оружие, чтобы не допустить победы коммунистов. Но возникший в Европе "Берлинский кризис" заставил их воздержаться от бомбардировок - бомбы могли понадобиться на другом потенциальном театре военных действий. А бомб было не так много. Попытка Соединенных Штатов стать главным распорядителем на планете натолкнулась на ядерный потенциал Советского Союза. Развернулась ожесточенная гонка вооружений, где преимущество получал тот, у кого больше атомных зарядов и средств их доставки.
В 1950 году принято решение о строительстве завода Д-4. Уже в октябре 1953 года он был пущен в эксплуатацию. Это был отдельный диффузионный каскад, выдававший уран-235 90%-ного обогащения. На заключительной фазе отбора конечного продукта здесь были установлены новые диффузионные однокомпрессорные машины ОК-19 и Т-44. О мощности Д-4 говорит такой факт, он потреблял электричества почти в полтора раза больше, чем все остальные производства и службы комбината вместе взятые.
В июне 1954 года был введен в эксплуатацию завод среднего обогащения СУ-3, затем объединенный с заводом Д-4 в единый цех №45.
А вершиной промышленной технологии газодиффузионного разделения изотопов урана стал завод Д-5. Он был укомплектован принципиально новыми машинами, в которых двигатель компрессора вынесен за пределы рабочей зоны агрегата. Специальное уплотнение на вращающемся валу не только обеспечивало вакуум внутри агрегата, но позволяло вдвое увеличить рабочее давление. Разработанные непосредственно на комбинате разделительные фильтры, число которых в каждой машине тоже было увеличено, значительно повысили производительность разделения. Для сравнения можно отметить, что производительность новых машин Т-51 была в 75 раз выше, чем у машин ОК-9, установленных на заводе Д-1. При этом они в 3, 5 раза меньше потребляли электричества. Вот почему в день пуска завода Д-5 было остановлено оборудование на Д-1 и начался его демонтаж. Несмотря на это, выпуск обогащенного урана в 1957 году увеличился по сравнению с 1950 годом в 100 раз!
Однако энергозатраты оставались огромными. Специально для электропитания завода Д-5 была постоена Верхне-Тагильская ГРЭС мощностью 600 Мвт. А в общей сложности комбинат потреблял 3% всей производенной в 1958 году в Советском Союзе электроэнергии.
Возможности дальнейшего совершенствования газодиффузионной техники были исчерпаны. Модернизация и улучшение могли достигаться только за счет отдельных узлов и деталей. Наибольший эффект давало улучшение разделительных свойств фильтра. На комбинате имелась научно-лабораторная база, где разрабатывались фильтры и мощности по их производству.
Дважды газодиффузионное оборудование подвергалось модернизации - в конце 50-х и 60-х годов. В результате общая производительность увеличилась в 2 раза, а энергозатраты сократились почти на 40%. По мере старения газодиффузионные машины выводились из работы. В 1966-67 годах были демонтированы заводы Д-3, Д-4 и СУ-3. На их площадях разместился Уральский автомоторный завод. А в 1972 году настал черед и Д-5. Газодиффузионный способ разделения изотопов урана был полностью заменен другим центрифужным.
Основоположником центрифужного метода разделения изотопов в советском Союзе можно считать немецкого эмигранта физика Ф. Ланге. В Харьковском физико-техническом институте он начал эксперименты по разделению газовых смесей на центрифуге ещё в 1935 году. Теоретические основы разделения газов с разным молекулярным весом в центробежном поле разработал в 1937 году Ю. Б. Харитон. Первая центрифуга была изготовлена на Уфимском авиазаводе в 1942 году. На следующий год Ф. Ланге привез её в Свердловск, где в лаборатории И. К. Кикоина продолжил свои эксперименты. Но существенных результатов достигнуть не удалось, и было принято решение о разработке газодиффузионного метода как наиболее перспективного. Тем не менее, в 1945 году при ПГУ была организована Лаборатория №4, руководителем которой назначили Ф. Ланге. Но в дальнейшем работы посчитали бесперспективными и лабораторию ликвидировали. Ф. Ланге в 1959 году выехал в ГДР, где возглавил Институт молекулярной физики. Другие немецкие ученые и инженеры: М. Штеенбек, Г. Циппе и Р. Шеффель занимались разработкой разделительной центрифуги в Сухумском физико-техническом институте. Их конструкция оказалась непригодна для промышленного использования, зато в ней содержалось важное решение - "стакан" центрифуги, он же ротор электродвигателя, опирался тонкой стальной иглой на победитовый подпятник-демпфер, а верхний конец ротора располагался в полости цилиндрического постоянного магнита. Эта оригинальная техническая идея избавляла центрифугу от подшипников, передающих валов и многих других дополнительных систем, что значительно удешевляло процесс разделения изотопов. Единственной проблемой была передача газа из одной центрифуги в другую, чтобы можно было объединять их в каскады.
Эту проблему решил И. К. Кикоин, предложивший опустить во вращающийся "стакан" центрифуги трубки, выходившие на разные уровни. В средине центрифуги из трубки поступал гексафторид урана, в нижней части через другую трубку откачивалась тяжелая фракция урана-238, а вверху отбиралась более легкая с повышенным содержанием урана-235.
Технологией центрифужного разделения изотопов и конструированием центрифуг занимались многие научные и проектные центры, в том числе ЛИПАН, ОКБ Кировского завода, ОКБ ГАЗ. В 1954 году на Уральском электрохимическом комбинате была организована исследовательско-экспериментальная лаборатория по данной тематике. В ней исследовались газодинамические процессы, разрабатывались методики исследования центрифуг, проектировались и изготавливались необходимые испытательные приборы.
Когда был остановлен и демонтирован первый газодиффузионный завод Д-1, на освободившихся площадях решено было построить опытный центрифужный завод (ОЦЗ). Так же, как в прежнее время диффузионный Д-1, опытный завод должен был послужить полигоном для новых разделительных технологий и оборудования. На опытном заводе установили 2432 центрифуги в блоках по 80 соединенных ступеней, Каждый блок снабжался собственной системой аварийной защиты. Пуск ОЦЗ осуществили в начале ноября 1957 года, а на расчетный режим он вышел 15 января 1958 года. Это было первое в мире предприятие, где в массовом порядке эксплуатировались газовые центрифуги.
Руководители атомной промышленности настороженно относились к неопробованной методике, и новое производство в случае удачи могло побудить их к переводу разделительных производств на принципиально новые технологические схемы, более экономичные и производительные.
В процессе опытной эксплуатации выяснилось, что потребление электроэнергии на единицу продукции у центрифуги в 17 раз меньше, чем у газодиффузионной машины последнего поколения. Этот и ряд других факторов были приняты во внимание на Научно-техническом совете Министерства среднего машиностроения под председательством И. В. Курчатова 5 мая 1958 года. Тогда было принято решение о переходе на центрифужный метод разделения изотопов урана.
Внедрение новой техники принесло и новые проблемы. Произошли целые серии разрушений центрифуг. Так неожиданно проявилась ползучесть материала ротора, когда металл при постоянных центробежных нагрузках начинает деформироваться, а затем разрушаться. Заводские ученые провели огромное количество экспериментов, исследований и испытаний, разработали теоретические основы для расчетов новых моделей центрифуг. На комбинате было создано специальное устройство - корректор, предохраняющее центрифугу от разрушения в случае потери устойчивости ротора. Эта система победила в конкурсе подобных конструкций и была внедрена на центрифужные машины четвертого поколения. В это же время была опробована схема многоярусного расположения центрифуг. Это позволяло на одних и тех же площадях размещать в два-три раза больше центрифуг.
В процессе эксплуатации опытного завода по заранее разработанным программам на действующем оборудовании искусственно моделировались аварийные происшествия, различные нарушения режима работы и нештатные ситуации. Это позволило выявить скрытые изъяны новой техники, усовершенствовать её, разработать эксплуатационные методики, подготовить инструкции на все случаи, обучить персонал. Началось постепенное внедрение газовых центрифуг в действующие схемы очистки. На газодиффузионном производстве на заключительных участках технологической цепочки взамен устаревших диффузионных машин стали монтировать блоки центрифуг. Здесь производился отбор конечного продукта с высокой концентрацией урана-235.
Параллельно с работой опытного завода началось строительство большого промышленного центрифужного завода по разделению изотопов урана ГТЗ-1. В действие он вводился тремя очередями в течение 1962-1964 годов. Включение его в технологическую цепочку увеличило разделительную мощность комбината почти на 40%. Устаревшее газодиффузионное оборудование начали демонтировать. Вместо старых цехов появился новый завод ГТЗ-2. Появились центрифуги четвертого и пятого поколений. Технико-экономические показатели возрастали, а расход электроэнергии на единицу продукции к середине 70-х годов снизился в 5 раз.
Центрифужный цех поражает своими размерами. Перемещаться пешком невозможно, такие здесь расстояния. Надо ездить на электрокаре. В четыре яруса установлены блоки "стаканов" центрифуг. На ГТЗ-1 их установлено 700 000 штук. Внутри каждой вращается ротор со скоростью более тысячи оборотов в секунду. Естественно, чтобы управлять таким количеством количеством механизмов и держать их под контролем, задействована автоматическая система управления и система аварийной защиты.
31 июля 1997 года был включен в эксплуатацию первый блок центрифуг седьмого поколения. Это событие особенно знаменательно тем, что сложнейшие машины были разработаны на самом комбинате. Здесь же были сконструированы и изготовлены все вспомогательные системы. Эти аппараты имеют вдвое большую разделительную способность при тех же производственных затратах, чем машины предыдущего поколения. Но не это самое удивительное. Поразительно, что в период повсеместного упадка комбинат не только сберег творческие коллективы, сохранил производственную базу, но и продолжает развиваться вопреки всем кризисам.
Обеспечено это в первую очередь конверсионными возможностями предприятия. Ведь атомная бомба не являлась целью физических исследований ученых. Ядерное оружие возникло в результате второй мировой войны как ответ на гитлеровскую угрозу всему миру. Потом оно сделалось фактором взаимного военного сдерживания двух политических систем. Но ядерные реакторы кроме наработки оружейного плутония способны давать энергию народному хозяйству. Бурное развитие атомной энергетики повысило спрос на топливо низкообогащенный уран для реакторов АЭС. В 1971 году Всесоюзная экспортно-импортная контора "Техснаб" заключила контракт с Комиссариатом по атомной энергии Франции на предоставление услуг по обогащению урана. Начало поставок было намечено на май 1973 года. Это означало разрушение монополии США на международном рынке расщепляющихся материалов.
На Уральском электрохимическом комбинате потребовалось создать ещё одно принципиально новое производство. Дело в том, что французам требовался жидкий гексафторид урана, а не газообразный. Жидкий продукт удобней транспортировать на большие расстояния в компактных контейнерах, он удобней для отбора аттестационных проб. Но опыта работы в промышленных масштабах с жидкой фракцией гексафторида урана у нас в стране не имелось. Зато имелся другой опыт - опыт скоростного строительства, разработки и освоения новых технологий.
Непосредственно на комбинате были разработаны методики спектральных и химико-спектральных анализов чистоты гексафторида урана, соответствующие международным стандартам. Здесь же сконструировали и изготовили приборы, способные работать в агрессивной жидкой и газообразной среде. Рабочие емкости с французским гексафторидом помещались в специальные термокамеры, где разогревались до рабочей температуры, а уже оттуда поступали на разделительные машины. Испытания подтвердили правильность конструкторских решений.
На освобожденном от устаревшего оборудования участке цеха №54 разместили новое производство, получившее наименование "Челнок". Такое название объясняется тем, что поначалу планировалась "челночная" технология: французский заказчик поставляет контейнеры с сырьевым гексафторидом урана и пустые емкости для готового продукта, а потом ему возвращают емкости с обогащенным ураном и сырьевые контейнеры с отходами очистки.
Контракт на экспортные поставки был выполнен в срок, а французы высоко оценили качество полученной продукции, заявив, что наш продукт лучше американского, английского и французского. После этого были заключены контракты со многими государствами, развивающими у себя атомную энергетику, в том числе, с Великобританией, Германией, Швецией, Италией, Испанией и другими. За более чем двадцать лет поставок низкообогащенного урана на комбинат не поступило ни одной рекламации от заказчиков.
"Челнок" по-прежнему остается одним из передовых производств отрасли и конкурентноспособен на мировом рынке. И хотя в последние годы спрос на урановое топливо в связи со свертыванием многими странами атомных энергетических программ сократился, комбинат уверенно остается "на плаву". К двадцатипятилетию "Челнока" в мае 1998 года была проведена его реконструкция. Производилась она в течение трех лет без остановки производства. Так что Уральский электрохимический комбинат по-прежнему остается одним из передовых предприятий мира.
В 1989 году Уральский электрохимический комбинат прекратил наработку высокообогащенного урана для снаряжения ядерного оружия. Договоры о сокращении стратегических вооружений положили конец безумной ядерной гонке. Но за полвека были созданы огромные запасы расщепляющихся материалов оружейной кондиции. В США на газодиффузионных заводах в Ок-Ридже (Теннесси) и Портсмуте (Огайо) было наработано в общей сложности 994 тонны высокообогащенного урана. В России подобных заводов больше - в Новоуральске, Ангарске, Томск-7 и Красноярск-56. Соответственно и запасы урана весомей - около 1200 тонн.
В соответствии с соглашением между США и Россией количество ядерных боеголовок с каждой стороны не должно превышать пяти тысяч. Все, что сверх этого количества, подлежит демонтажу. Ядерные боеприпасы разбираются на тех же самых предприятиях, на которых когда-то изготавливались. Естественно, извлекаются сотни тонн высокообогащенного урана и десятки тонн плутония. Их можно или заложить на хранение, что вызывает понятное подозрение противоположной стороны - а не вернутся ли ядерные материалы обратно в боеголовки, или использовать в экономических интересах страны. Для России гораздо выгоднее реализовать это стратегическое сырье, чтобы получить валюту и компенсировать хотя бы часть средств, израсходованных в прежние времена на получение ядерного оружия. США тоже заинтересованы в ликвидации опасного сырья, чтобы оно не расползалось по свету и не сохранялось в качестве потенциальной угрозы их безопасности. Позиции обеих стран таким образом совпадали в главном - высокообогащенный уран и плутоний следует разбавить до безопасной концентрации и использовать в качестве топлива для атомных электростанций.
Американский ядерщик Томас Неф выступил с идеей использования оружейного урана для целей атомной энергетики, которая получила афористичное название "Превращение мегатонн в мегаватты". Т. Неф выступил сторонником покупки российского высокообогащенного урана для его разобогащения на американских предприятиях. Две крупных американских компании вступили в соглашение между собой для образования с российскими представителями совместного предприятия по переработке нашего урана и дальнейшей продажи его департаменту энергетики США. Совершенно очевидно, что в основе конверсионной инициативы Т. Нефа лежал злоровый экономический расчет, и американцы старались извлечь из проекта максимальную выгоду. Россия обеспечила бы работой чужие предприятия, получив весьма скромные деньги. Да и передавать оружейный уран в руки недавнего противника не стоило.
29 августа 1992 года было подписано принципиальное соглашение между США и Россией о переработке 500 тонн оружейного высокообогащенного урана. Тут и выяснилось, что американцы не готовы к развертыванию полномасштабных работ по разобогащению. Только в 1997 году они оказались способны перерабатывать своей уран.
В то же время на Уральском электрохимическом комбинате располагалась принятая в эксплуатацию и законсервированная после прекращения наработки оружейного урана специальная линия для окисления путем сжигания металлических слитков высокообогащенного урана для перевода их в порошок закиси-окиси. Раньше таким образом перерабатывались бракованные слитки. Производительность линии составляла 20 тонн в год. Здесь же на комбинате можно было провести весь последующий цикл разбавления высокобогащенного урана до необходимых кондиций, очистки его от примесей и расфасовки в транспортные емкости. После разработки технологии по переводу высокообогащенного урна в низкообогащенный, УЭХК в 1996 году запатентовал её в США и России, закрепив свой приоритет в этой области.
В настоящее время в процессе разобогащения урана принимают участие Сибирский химкомбинат (Томск-7), Электрохимзавод в Зеленогорске (Красноярск-45), ПО "Маяк".
В 1995 году из 6 тонн оружейного урана путем разбавления на Уральском электрохимическом комбинате было получено 186 тонн низкообогащенного урана, в соответствии с договором поставленного затем в США. Всего в течение 20 лет американцы должны получить из России низкообогащенного урана на сумму примерно 12 миллиардов долларов.
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР
Город Снежинск, раньше он назывался Челябинск-70. Здесь расположен Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики. Возник он как дублер "Приволжской конторы" - ядерного центра Арзамас-16. После Великой Отечественной войны каждому стратегическому предприятию старались создать такого дублера, чтобы в случае уничтожения основного производства выпуск продукции не сократился. Решение о создании второго ядерного центра принял Никита Хрущев, узнав, что у американцев их целых два - Лос-Аламос и Ливермор, да ещё лаборатория Санди. Арзамас оказался в радиусе действия натовских средств доставки ядерного оружия, поэтому существовал риск в случае возникновения "европейского театра военных действий" остаться без производства ядерного оружия.
Расширение ядерных исследований и производств неразрывно связано с историей создания водородного оружия. США к середине 1949 года имели в своих арсеналах 300 атомных бомб. По расчетам их стратегов, этого хватало, чтобы уничтожить примерно 30-40% оборонного и промышленного потенциала СССР, в том числе около 100 городов. После Хиросимы и Нагасаки никаких сомнений в том, что президент Трумэн способен начать атомную войну, не было. Но этот удар не мог принести победу, оставшегося потенциала русским хватило бы для решительной контратаки, недавняя победа над Германией это доказывала, а в американских арсеналах атомных бомб уже не осталось бы. Поэтому решено было довести количество ядерных боеприпасов до 1000 штук к 1953 году.
И тут в пробах атмосферного воздуха самолеты-лаборатории обнаружили следы деления плутония. Стало понятно, что у русских тоже появилась бомба и атомной монополии США пришел конец. Можно было заключить мирный договор и прекратить гонку вооружений. Но американцы предпочли считать, что появилась дополнительная угроза их безопасности. 31 января 1950 года Трумэн объявил, что Америка будет разрабатывать все виды атомного оружия, включая водородную бомбу. Вызов был брошен.
Советские физики об этом направлении американских ядерных разработок узнали ещё в 1946 году. В основе идеи водородной бомбы лежало предположение о самопроизвольной цепной термоядерной реакции в жидком дейтерии, сжатом с усилием в несколько сот тысяч атмосфер. Расчеты математиков под руководством Я. Зельдовича показали, что давление нужно как минимум на два порядка большее. Уменьшить его можно было смешав дейтерий с ещё более тяжелым изотопом водорода - тритием. Но производство трития стоило колоссальных затрат. Тем не менее, "отец" американской аводородной бомбы Эдвард Теллер пошел именно этим путем. Для получения трития были построены новые ядерные реакторы.
В СССР молодые ученые Андрей Сахаров и Виталий Гинзбург, ученики академика Тамма, выдвинули альтернативную идею - соединить в одном устройстве плутониевый заряд и дейтерий. Атомный взрыв плутония и одновременная термоядерная реакция дейтерия, совместившись, давали искомый водородный взрыв. Но его мощность имела пределы, нарастить её свыше определенного лимита оказалось невозможно. Теоретически водородная бомба должна быть мощней атомной в тысячу раз. Модель Сахарова-Гинзбурга давала увеличение в 20-40 раз. Зато она получалась достаточно компактной. Развивая свою идею, молодые ученые пришли к идее послойного заряда из плутония и дейтерия. Эта конструкция получила в научном обиходе название "слоеный пирог". При этом Гинзбург предложил вместо дейтерия использовать в тысячу раз более дешевый изотоп литий-6.
В ноябре 1952 года на одном из тихоокеанских атоллов было взорвано термоядерное устройство Теллера - трехэтажный монстр весом 60 тонн. Измерения показали, что энергия взрыва в 1000 раз превысила мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму и достигла 10 мегатонн. Наши специалисты сразу строили бомбы, годные к боевому применению. Сходную с американской они испытали в 1955 году, но она помещалась в корпусе бомбы и была сброшена с самолета. Вот тогда и стало окончательно ясно, что взрыв одной единственной бомбы способен смести огромный промышленный район. И лучше в таком случае иметь другой про запас.
Резервный атомный центр решено было развернуть на Урале. Во-первых, самая середина России, далеко от границ, а, во-вторых, рядом находятся крупнейшие предприятия атомной промышленности. Значит, есть научная и производственная база, квалифицированные специалисты, специализированные строительные управления и инфраструктура. Но ученые-физики и конструктора понимали, что гораздо важней может оказаться фактор конкуренции. Соревнование двух научных центров могло ускорить создание новых образцов ядерного оружия, породить новые идеи.
Место для нового центра подобрал его первый директор Дмитрий Ефимович Васильев. Начинался НИИ-1011 с так называемой "21-й площадки" в 15 километрах от Челябинска-70. Здесь, в месте выхода радоновых источников, раньше располагался небольшой санаторий местного значения. После войны его помещения отдали под биостанцию. Когда знаменитого генетика Тимофеева-Ресовского вытащили из ГУЛАГа, поскольку он оказался единственным радиобиологом на территории Советского Союза, он был привезен сюда, и возглавил исследования. Выезжать куда-либо ему строго запретили, и "Зубр" безвылазно провел здесь не один год, поливая, как он выражался, грядки стронцием. Исследовал влияние радиации на живые организмы. Знающие люди утверждают, что журналы наблюдений, записи, черновики и прочая документация этой биостанции до сих пор лежит в единственном сохранившемся с тех времен сарае. Остальные корпуса давно снесены, а на их месте выстроены современные здания.
Сначала народу было немного. Собрали математиков, физиков-теоретиков и экспериментаторов. Занимались расчетами. А воплощать свои расчеты ездили в Арзамас-16. Там находился "филиал" НИИ-1011 - конструктора и газодинамики. Там же уральские разработки превращались в "изделия".
Научным руководителем и главным конструктором был назначен Кирилл Иванович Щелкин. Имя этого выдающегося ученого и организатора долго скрывалось под покровом секретности и в результате чуть не было забыто. А ведь это один из трех "китов", на которых держалась программа создания атомного оружия в Советском Союзе. Игоря Курчатова и Юлия Харитона знают сейчас очень широко, а вот их друга, единомышленника и соратника Кирилла Щелкина почти никто. А ведь их всех троих за одни и те же достижения одними и теми же указами награждали Золотыми Звездами Героев Социалистического Труда - после взрыва первого советского атомного устройства в 1949, после первой авиабомбы, принятой на вооружение в 1951, и, наконец, когда через два года после этого испытали водородную бомбу.
Конец 1940-х годов ознаменовался развязыванием холодной войны, которая тут же едва не превратилась в "горячую". США, недовольные исходом гражданской войны в Китае, готовы были применить атомное оружие, чтобы не допустить победы коммунистов. Но возникший в Европе "Берлинский кризис" заставил их воздержаться от бомбардировок - бомбы могли понадобиться на другом потенциальном театре военных действий. А бомб было не так много. Попытка Соединенных Штатов стать главным распорядителем на планете натолкнулась на ядерный потенциал Советского Союза. Развернулась ожесточенная гонка вооружений, где преимущество получал тот, у кого больше атомных зарядов и средств их доставки.
В 1950 году принято решение о строительстве завода Д-4. Уже в октябре 1953 года он был пущен в эксплуатацию. Это был отдельный диффузионный каскад, выдававший уран-235 90%-ного обогащения. На заключительной фазе отбора конечного продукта здесь были установлены новые диффузионные однокомпрессорные машины ОК-19 и Т-44. О мощности Д-4 говорит такой факт, он потреблял электричества почти в полтора раза больше, чем все остальные производства и службы комбината вместе взятые.
В июне 1954 года был введен в эксплуатацию завод среднего обогащения СУ-3, затем объединенный с заводом Д-4 в единый цех №45.
А вершиной промышленной технологии газодиффузионного разделения изотопов урана стал завод Д-5. Он был укомплектован принципиально новыми машинами, в которых двигатель компрессора вынесен за пределы рабочей зоны агрегата. Специальное уплотнение на вращающемся валу не только обеспечивало вакуум внутри агрегата, но позволяло вдвое увеличить рабочее давление. Разработанные непосредственно на комбинате разделительные фильтры, число которых в каждой машине тоже было увеличено, значительно повысили производительность разделения. Для сравнения можно отметить, что производительность новых машин Т-51 была в 75 раз выше, чем у машин ОК-9, установленных на заводе Д-1. При этом они в 3, 5 раза меньше потребляли электричества. Вот почему в день пуска завода Д-5 было остановлено оборудование на Д-1 и начался его демонтаж. Несмотря на это, выпуск обогащенного урана в 1957 году увеличился по сравнению с 1950 годом в 100 раз!
Однако энергозатраты оставались огромными. Специально для электропитания завода Д-5 была постоена Верхне-Тагильская ГРЭС мощностью 600 Мвт. А в общей сложности комбинат потреблял 3% всей производенной в 1958 году в Советском Союзе электроэнергии.
Возможности дальнейшего совершенствования газодиффузионной техники были исчерпаны. Модернизация и улучшение могли достигаться только за счет отдельных узлов и деталей. Наибольший эффект давало улучшение разделительных свойств фильтра. На комбинате имелась научно-лабораторная база, где разрабатывались фильтры и мощности по их производству.
Дважды газодиффузионное оборудование подвергалось модернизации - в конце 50-х и 60-х годов. В результате общая производительность увеличилась в 2 раза, а энергозатраты сократились почти на 40%. По мере старения газодиффузионные машины выводились из работы. В 1966-67 годах были демонтированы заводы Д-3, Д-4 и СУ-3. На их площадях разместился Уральский автомоторный завод. А в 1972 году настал черед и Д-5. Газодиффузионный способ разделения изотопов урана был полностью заменен другим центрифужным.
Основоположником центрифужного метода разделения изотопов в советском Союзе можно считать немецкого эмигранта физика Ф. Ланге. В Харьковском физико-техническом институте он начал эксперименты по разделению газовых смесей на центрифуге ещё в 1935 году. Теоретические основы разделения газов с разным молекулярным весом в центробежном поле разработал в 1937 году Ю. Б. Харитон. Первая центрифуга была изготовлена на Уфимском авиазаводе в 1942 году. На следующий год Ф. Ланге привез её в Свердловск, где в лаборатории И. К. Кикоина продолжил свои эксперименты. Но существенных результатов достигнуть не удалось, и было принято решение о разработке газодиффузионного метода как наиболее перспективного. Тем не менее, в 1945 году при ПГУ была организована Лаборатория №4, руководителем которой назначили Ф. Ланге. Но в дальнейшем работы посчитали бесперспективными и лабораторию ликвидировали. Ф. Ланге в 1959 году выехал в ГДР, где возглавил Институт молекулярной физики. Другие немецкие ученые и инженеры: М. Штеенбек, Г. Циппе и Р. Шеффель занимались разработкой разделительной центрифуги в Сухумском физико-техническом институте. Их конструкция оказалась непригодна для промышленного использования, зато в ней содержалось важное решение - "стакан" центрифуги, он же ротор электродвигателя, опирался тонкой стальной иглой на победитовый подпятник-демпфер, а верхний конец ротора располагался в полости цилиндрического постоянного магнита. Эта оригинальная техническая идея избавляла центрифугу от подшипников, передающих валов и многих других дополнительных систем, что значительно удешевляло процесс разделения изотопов. Единственной проблемой была передача газа из одной центрифуги в другую, чтобы можно было объединять их в каскады.
Эту проблему решил И. К. Кикоин, предложивший опустить во вращающийся "стакан" центрифуги трубки, выходившие на разные уровни. В средине центрифуги из трубки поступал гексафторид урана, в нижней части через другую трубку откачивалась тяжелая фракция урана-238, а вверху отбиралась более легкая с повышенным содержанием урана-235.
Технологией центрифужного разделения изотопов и конструированием центрифуг занимались многие научные и проектные центры, в том числе ЛИПАН, ОКБ Кировского завода, ОКБ ГАЗ. В 1954 году на Уральском электрохимическом комбинате была организована исследовательско-экспериментальная лаборатория по данной тематике. В ней исследовались газодинамические процессы, разрабатывались методики исследования центрифуг, проектировались и изготавливались необходимые испытательные приборы.
Когда был остановлен и демонтирован первый газодиффузионный завод Д-1, на освободившихся площадях решено было построить опытный центрифужный завод (ОЦЗ). Так же, как в прежнее время диффузионный Д-1, опытный завод должен был послужить полигоном для новых разделительных технологий и оборудования. На опытном заводе установили 2432 центрифуги в блоках по 80 соединенных ступеней, Каждый блок снабжался собственной системой аварийной защиты. Пуск ОЦЗ осуществили в начале ноября 1957 года, а на расчетный режим он вышел 15 января 1958 года. Это было первое в мире предприятие, где в массовом порядке эксплуатировались газовые центрифуги.
Руководители атомной промышленности настороженно относились к неопробованной методике, и новое производство в случае удачи могло побудить их к переводу разделительных производств на принципиально новые технологические схемы, более экономичные и производительные.
В процессе опытной эксплуатации выяснилось, что потребление электроэнергии на единицу продукции у центрифуги в 17 раз меньше, чем у газодиффузионной машины последнего поколения. Этот и ряд других факторов были приняты во внимание на Научно-техническом совете Министерства среднего машиностроения под председательством И. В. Курчатова 5 мая 1958 года. Тогда было принято решение о переходе на центрифужный метод разделения изотопов урана.
Внедрение новой техники принесло и новые проблемы. Произошли целые серии разрушений центрифуг. Так неожиданно проявилась ползучесть материала ротора, когда металл при постоянных центробежных нагрузках начинает деформироваться, а затем разрушаться. Заводские ученые провели огромное количество экспериментов, исследований и испытаний, разработали теоретические основы для расчетов новых моделей центрифуг. На комбинате было создано специальное устройство - корректор, предохраняющее центрифугу от разрушения в случае потери устойчивости ротора. Эта система победила в конкурсе подобных конструкций и была внедрена на центрифужные машины четвертого поколения. В это же время была опробована схема многоярусного расположения центрифуг. Это позволяло на одних и тех же площадях размещать в два-три раза больше центрифуг.
В процессе эксплуатации опытного завода по заранее разработанным программам на действующем оборудовании искусственно моделировались аварийные происшествия, различные нарушения режима работы и нештатные ситуации. Это позволило выявить скрытые изъяны новой техники, усовершенствовать её, разработать эксплуатационные методики, подготовить инструкции на все случаи, обучить персонал. Началось постепенное внедрение газовых центрифуг в действующие схемы очистки. На газодиффузионном производстве на заключительных участках технологической цепочки взамен устаревших диффузионных машин стали монтировать блоки центрифуг. Здесь производился отбор конечного продукта с высокой концентрацией урана-235.
Параллельно с работой опытного завода началось строительство большого промышленного центрифужного завода по разделению изотопов урана ГТЗ-1. В действие он вводился тремя очередями в течение 1962-1964 годов. Включение его в технологическую цепочку увеличило разделительную мощность комбината почти на 40%. Устаревшее газодиффузионное оборудование начали демонтировать. Вместо старых цехов появился новый завод ГТЗ-2. Появились центрифуги четвертого и пятого поколений. Технико-экономические показатели возрастали, а расход электроэнергии на единицу продукции к середине 70-х годов снизился в 5 раз.
Центрифужный цех поражает своими размерами. Перемещаться пешком невозможно, такие здесь расстояния. Надо ездить на электрокаре. В четыре яруса установлены блоки "стаканов" центрифуг. На ГТЗ-1 их установлено 700 000 штук. Внутри каждой вращается ротор со скоростью более тысячи оборотов в секунду. Естественно, чтобы управлять таким количеством количеством механизмов и держать их под контролем, задействована автоматическая система управления и система аварийной защиты.
31 июля 1997 года был включен в эксплуатацию первый блок центрифуг седьмого поколения. Это событие особенно знаменательно тем, что сложнейшие машины были разработаны на самом комбинате. Здесь же были сконструированы и изготовлены все вспомогательные системы. Эти аппараты имеют вдвое большую разделительную способность при тех же производственных затратах, чем машины предыдущего поколения. Но не это самое удивительное. Поразительно, что в период повсеместного упадка комбинат не только сберег творческие коллективы, сохранил производственную базу, но и продолжает развиваться вопреки всем кризисам.
Обеспечено это в первую очередь конверсионными возможностями предприятия. Ведь атомная бомба не являлась целью физических исследований ученых. Ядерное оружие возникло в результате второй мировой войны как ответ на гитлеровскую угрозу всему миру. Потом оно сделалось фактором взаимного военного сдерживания двух политических систем. Но ядерные реакторы кроме наработки оружейного плутония способны давать энергию народному хозяйству. Бурное развитие атомной энергетики повысило спрос на топливо низкообогащенный уран для реакторов АЭС. В 1971 году Всесоюзная экспортно-импортная контора "Техснаб" заключила контракт с Комиссариатом по атомной энергии Франции на предоставление услуг по обогащению урана. Начало поставок было намечено на май 1973 года. Это означало разрушение монополии США на международном рынке расщепляющихся материалов.
На Уральском электрохимическом комбинате потребовалось создать ещё одно принципиально новое производство. Дело в том, что французам требовался жидкий гексафторид урана, а не газообразный. Жидкий продукт удобней транспортировать на большие расстояния в компактных контейнерах, он удобней для отбора аттестационных проб. Но опыта работы в промышленных масштабах с жидкой фракцией гексафторида урана у нас в стране не имелось. Зато имелся другой опыт - опыт скоростного строительства, разработки и освоения новых технологий.
Непосредственно на комбинате были разработаны методики спектральных и химико-спектральных анализов чистоты гексафторида урана, соответствующие международным стандартам. Здесь же сконструировали и изготовили приборы, способные работать в агрессивной жидкой и газообразной среде. Рабочие емкости с французским гексафторидом помещались в специальные термокамеры, где разогревались до рабочей температуры, а уже оттуда поступали на разделительные машины. Испытания подтвердили правильность конструкторских решений.
На освобожденном от устаревшего оборудования участке цеха №54 разместили новое производство, получившее наименование "Челнок". Такое название объясняется тем, что поначалу планировалась "челночная" технология: французский заказчик поставляет контейнеры с сырьевым гексафторидом урана и пустые емкости для готового продукта, а потом ему возвращают емкости с обогащенным ураном и сырьевые контейнеры с отходами очистки.
Контракт на экспортные поставки был выполнен в срок, а французы высоко оценили качество полученной продукции, заявив, что наш продукт лучше американского, английского и французского. После этого были заключены контракты со многими государствами, развивающими у себя атомную энергетику, в том числе, с Великобританией, Германией, Швецией, Италией, Испанией и другими. За более чем двадцать лет поставок низкообогащенного урана на комбинат не поступило ни одной рекламации от заказчиков.
"Челнок" по-прежнему остается одним из передовых производств отрасли и конкурентноспособен на мировом рынке. И хотя в последние годы спрос на урановое топливо в связи со свертыванием многими странами атомных энергетических программ сократился, комбинат уверенно остается "на плаву". К двадцатипятилетию "Челнока" в мае 1998 года была проведена его реконструкция. Производилась она в течение трех лет без остановки производства. Так что Уральский электрохимический комбинат по-прежнему остается одним из передовых предприятий мира.
В 1989 году Уральский электрохимический комбинат прекратил наработку высокообогащенного урана для снаряжения ядерного оружия. Договоры о сокращении стратегических вооружений положили конец безумной ядерной гонке. Но за полвека были созданы огромные запасы расщепляющихся материалов оружейной кондиции. В США на газодиффузионных заводах в Ок-Ридже (Теннесси) и Портсмуте (Огайо) было наработано в общей сложности 994 тонны высокообогащенного урана. В России подобных заводов больше - в Новоуральске, Ангарске, Томск-7 и Красноярск-56. Соответственно и запасы урана весомей - около 1200 тонн.
В соответствии с соглашением между США и Россией количество ядерных боеголовок с каждой стороны не должно превышать пяти тысяч. Все, что сверх этого количества, подлежит демонтажу. Ядерные боеприпасы разбираются на тех же самых предприятиях, на которых когда-то изготавливались. Естественно, извлекаются сотни тонн высокообогащенного урана и десятки тонн плутония. Их можно или заложить на хранение, что вызывает понятное подозрение противоположной стороны - а не вернутся ли ядерные материалы обратно в боеголовки, или использовать в экономических интересах страны. Для России гораздо выгоднее реализовать это стратегическое сырье, чтобы получить валюту и компенсировать хотя бы часть средств, израсходованных в прежние времена на получение ядерного оружия. США тоже заинтересованы в ликвидации опасного сырья, чтобы оно не расползалось по свету и не сохранялось в качестве потенциальной угрозы их безопасности. Позиции обеих стран таким образом совпадали в главном - высокообогащенный уран и плутоний следует разбавить до безопасной концентрации и использовать в качестве топлива для атомных электростанций.
Американский ядерщик Томас Неф выступил с идеей использования оружейного урана для целей атомной энергетики, которая получила афористичное название "Превращение мегатонн в мегаватты". Т. Неф выступил сторонником покупки российского высокообогащенного урана для его разобогащения на американских предприятиях. Две крупных американских компании вступили в соглашение между собой для образования с российскими представителями совместного предприятия по переработке нашего урана и дальнейшей продажи его департаменту энергетики США. Совершенно очевидно, что в основе конверсионной инициативы Т. Нефа лежал злоровый экономический расчет, и американцы старались извлечь из проекта максимальную выгоду. Россия обеспечила бы работой чужие предприятия, получив весьма скромные деньги. Да и передавать оружейный уран в руки недавнего противника не стоило.
29 августа 1992 года было подписано принципиальное соглашение между США и Россией о переработке 500 тонн оружейного высокообогащенного урана. Тут и выяснилось, что американцы не готовы к развертыванию полномасштабных работ по разобогащению. Только в 1997 году они оказались способны перерабатывать своей уран.
В то же время на Уральском электрохимическом комбинате располагалась принятая в эксплуатацию и законсервированная после прекращения наработки оружейного урана специальная линия для окисления путем сжигания металлических слитков высокообогащенного урана для перевода их в порошок закиси-окиси. Раньше таким образом перерабатывались бракованные слитки. Производительность линии составляла 20 тонн в год. Здесь же на комбинате можно было провести весь последующий цикл разбавления высокобогащенного урана до необходимых кондиций, очистки его от примесей и расфасовки в транспортные емкости. После разработки технологии по переводу высокообогащенного урна в низкообогащенный, УЭХК в 1996 году запатентовал её в США и России, закрепив свой приоритет в этой области.
В настоящее время в процессе разобогащения урана принимают участие Сибирский химкомбинат (Томск-7), Электрохимзавод в Зеленогорске (Красноярск-45), ПО "Маяк".
В 1995 году из 6 тонн оружейного урана путем разбавления на Уральском электрохимическом комбинате было получено 186 тонн низкообогащенного урана, в соответствии с договором поставленного затем в США. Всего в течение 20 лет американцы должны получить из России низкообогащенного урана на сумму примерно 12 миллиардов долларов.
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР
Город Снежинск, раньше он назывался Челябинск-70. Здесь расположен Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики. Возник он как дублер "Приволжской конторы" - ядерного центра Арзамас-16. После Великой Отечественной войны каждому стратегическому предприятию старались создать такого дублера, чтобы в случае уничтожения основного производства выпуск продукции не сократился. Решение о создании второго ядерного центра принял Никита Хрущев, узнав, что у американцев их целых два - Лос-Аламос и Ливермор, да ещё лаборатория Санди. Арзамас оказался в радиусе действия натовских средств доставки ядерного оружия, поэтому существовал риск в случае возникновения "европейского театра военных действий" остаться без производства ядерного оружия.
Расширение ядерных исследований и производств неразрывно связано с историей создания водородного оружия. США к середине 1949 года имели в своих арсеналах 300 атомных бомб. По расчетам их стратегов, этого хватало, чтобы уничтожить примерно 30-40% оборонного и промышленного потенциала СССР, в том числе около 100 городов. После Хиросимы и Нагасаки никаких сомнений в том, что президент Трумэн способен начать атомную войну, не было. Но этот удар не мог принести победу, оставшегося потенциала русским хватило бы для решительной контратаки, недавняя победа над Германией это доказывала, а в американских арсеналах атомных бомб уже не осталось бы. Поэтому решено было довести количество ядерных боеприпасов до 1000 штук к 1953 году.
И тут в пробах атмосферного воздуха самолеты-лаборатории обнаружили следы деления плутония. Стало понятно, что у русских тоже появилась бомба и атомной монополии США пришел конец. Можно было заключить мирный договор и прекратить гонку вооружений. Но американцы предпочли считать, что появилась дополнительная угроза их безопасности. 31 января 1950 года Трумэн объявил, что Америка будет разрабатывать все виды атомного оружия, включая водородную бомбу. Вызов был брошен.
Советские физики об этом направлении американских ядерных разработок узнали ещё в 1946 году. В основе идеи водородной бомбы лежало предположение о самопроизвольной цепной термоядерной реакции в жидком дейтерии, сжатом с усилием в несколько сот тысяч атмосфер. Расчеты математиков под руководством Я. Зельдовича показали, что давление нужно как минимум на два порядка большее. Уменьшить его можно было смешав дейтерий с ещё более тяжелым изотопом водорода - тритием. Но производство трития стоило колоссальных затрат. Тем не менее, "отец" американской аводородной бомбы Эдвард Теллер пошел именно этим путем. Для получения трития были построены новые ядерные реакторы.
В СССР молодые ученые Андрей Сахаров и Виталий Гинзбург, ученики академика Тамма, выдвинули альтернативную идею - соединить в одном устройстве плутониевый заряд и дейтерий. Атомный взрыв плутония и одновременная термоядерная реакция дейтерия, совместившись, давали искомый водородный взрыв. Но его мощность имела пределы, нарастить её свыше определенного лимита оказалось невозможно. Теоретически водородная бомба должна быть мощней атомной в тысячу раз. Модель Сахарова-Гинзбурга давала увеличение в 20-40 раз. Зато она получалась достаточно компактной. Развивая свою идею, молодые ученые пришли к идее послойного заряда из плутония и дейтерия. Эта конструкция получила в научном обиходе название "слоеный пирог". При этом Гинзбург предложил вместо дейтерия использовать в тысячу раз более дешевый изотоп литий-6.
В ноябре 1952 года на одном из тихоокеанских атоллов было взорвано термоядерное устройство Теллера - трехэтажный монстр весом 60 тонн. Измерения показали, что энергия взрыва в 1000 раз превысила мощность бомбы, сброшенной на Хиросиму и достигла 10 мегатонн. Наши специалисты сразу строили бомбы, годные к боевому применению. Сходную с американской они испытали в 1955 году, но она помещалась в корпусе бомбы и была сброшена с самолета. Вот тогда и стало окончательно ясно, что взрыв одной единственной бомбы способен смести огромный промышленный район. И лучше в таком случае иметь другой про запас.
Резервный атомный центр решено было развернуть на Урале. Во-первых, самая середина России, далеко от границ, а, во-вторых, рядом находятся крупнейшие предприятия атомной промышленности. Значит, есть научная и производственная база, квалифицированные специалисты, специализированные строительные управления и инфраструктура. Но ученые-физики и конструктора понимали, что гораздо важней может оказаться фактор конкуренции. Соревнование двух научных центров могло ускорить создание новых образцов ядерного оружия, породить новые идеи.
Место для нового центра подобрал его первый директор Дмитрий Ефимович Васильев. Начинался НИИ-1011 с так называемой "21-й площадки" в 15 километрах от Челябинска-70. Здесь, в месте выхода радоновых источников, раньше располагался небольшой санаторий местного значения. После войны его помещения отдали под биостанцию. Когда знаменитого генетика Тимофеева-Ресовского вытащили из ГУЛАГа, поскольку он оказался единственным радиобиологом на территории Советского Союза, он был привезен сюда, и возглавил исследования. Выезжать куда-либо ему строго запретили, и "Зубр" безвылазно провел здесь не один год, поливая, как он выражался, грядки стронцием. Исследовал влияние радиации на живые организмы. Знающие люди утверждают, что журналы наблюдений, записи, черновики и прочая документация этой биостанции до сих пор лежит в единственном сохранившемся с тех времен сарае. Остальные корпуса давно снесены, а на их месте выстроены современные здания.
Сначала народу было немного. Собрали математиков, физиков-теоретиков и экспериментаторов. Занимались расчетами. А воплощать свои расчеты ездили в Арзамас-16. Там находился "филиал" НИИ-1011 - конструктора и газодинамики. Там же уральские разработки превращались в "изделия".
Научным руководителем и главным конструктором был назначен Кирилл Иванович Щелкин. Имя этого выдающегося ученого и организатора долго скрывалось под покровом секретности и в результате чуть не было забыто. А ведь это один из трех "китов", на которых держалась программа создания атомного оружия в Советском Союзе. Игоря Курчатова и Юлия Харитона знают сейчас очень широко, а вот их друга, единомышленника и соратника Кирилла Щелкина почти никто. А ведь их всех троих за одни и те же достижения одними и теми же указами награждали Золотыми Звездами Героев Социалистического Труда - после взрыва первого советского атомного устройства в 1949, после первой авиабомбы, принятой на вооружение в 1951, и, наконец, когда через два года после этого испытали водородную бомбу.