Доктор физико-математических наук Юрий МАРТЫНЕНКО, главный научный сотрудник РНЦ "Курчатовский институт"

Электромагнитное разделение изотопов сыграло ключевую роль в осуществлении советского атомного проекта, инициированного в разгар Второй мировой войны (1942 г.) Государственным комитетом обороны СССР, и привело к новым направлениям в науке и технике, развитию современных технологий.

ПРОБЛЕМА N 1

В работе над созданием атомной бомбы на первый план сразу вышла проблема получения делящегося вещества - собственно "взрывчатки". Таковой мог стать либо плутоний-239 (²³⁹Pu), либо уран-235 (²³⁵U). Первого в природе практически нет. Он образуется в результате определенной последовательности ядерных реакций при облучении нейтронами урана-238 (²³⁸U). Для его "наработки" 25 декабря 1946 г. в Лаборатории N 2 АН СССР (с 1993 г. РНЦ "Курчатовский институт") под руководством академика Игоря Курчатова* - главы проекта - осуществили пуск первого в Евразии атомного реактора**. А ²³⁵U надо было выделить из природного урана, содержащего всего 0,72% этого делящегося вещества.

Задачу получения плутония-239 и урана-235 решали одновременно, причем для последнего специалисты предложили сразу несколько методов: газодиффузионный, центробежный и электромагнитный.

ПУТЬ К ОБРЕТЕНИЮ "ВЗРЫВЧАТКИ"

Отправной точкой исследований электромагнитного разделения изотопов послужила записка Курчатова от 24 ноября 1944 г. Лаврентию Берии, возглавлявшему работы по использованию внутриатомной энергии урана в СССР, с рекомендацией назначить заведующего лабораторией Ленинградского физико-технического института АН СССР Льва Арцимовича*** (академик с 1953 г.) на роль руководителя. "Л. А. Арцимович - очень способный физик, глубокий и лучший в Союзе знаток электронной оптики, - писал

* См.: Е. Велихов. Его мечта - создать солнце на Земле. - Наука в России, 2003, N 1 (прим. ред.).

** См.: Н. Черноплеков. На заре атомной энергетики. - Наука в России, 2006, N 6 (прим. ред.).

*** См.: Е. Велихов. Термоядерное горение. - Наука в России. 2009, N 1 (прим. ред.).

Схема электромагнитного разделения изотопов.

Курчатов. - В основном он занят сейчас решением вопроса видения в темноте, и только часть времени уделяет работам по магнитному способу выделения урана-235. Я считаю необходимым полное переключение его на эту последнюю работу".

Предложение приняли незамедлительно, и к концу 1944 г. Арцимович уже возглавлял в Лаборатории N 2 и Ленинградском физико-техническом институте соответствующие сектора. Параллельно в 1945 г. электромагнитный метод разделения изотопов разрабатывали в Сухумском физико-техническом институте под руководством немецкого физика Манфреда фон Арденне.

Разделение изотопов электромагнитным методом основано на том, что ускоренные заряженные частицы движутся в поперечном магнитном поле по окружности с радиусом, зависящим от отношения заряда к массе частицы, причем ионы тяжелого изотопа ²³⁸U - с большим, чем ионы легкого изотопа ²³⁵U. Это позволяет, направив пучок ускоренных ионов, не разделенных по массе, в магнитное поле, получать разделенные пучки, содержащие ионы определенной массы. Задача состояла в том, чтобы создать мощный источник, найти механизмы управления сильноточными ионными пучками при их прохождении через ускоряющую систему, магнитное поле и фокусировку, а также разработать приемник ионов, который собирал бы каждый изотоп в своей ячейке, а далее химически выделить искомый.

Источники ионов существовали и ранее - их использовали в масс-спектрометрах, предложенных канадским физикохимиком Артуром Демпстером в 1918 г. Эти приборы применяли для анализа состава вещества, но ток в них составлял ничтожно малую величину - наноамперы, а для выполнения поставленной в конце войны задачи (создания крупномасштабного производства выделения урана-235) необходимо было иметь хотя бы десятую долю ампера (разница в 7 порядков величины!). Кроме того, они должны работать производительно, т.е. десятки часов непрерывно.

Разработку новой техники вели в секторе Арцимовича сотрудники лаборатории, возглавляемой доктором физико-математических наук Павлом Морозовым, и независимо в Сухумском физтехе под руководством Арденне. Однако источник Лаборатории N 2 признали лучшим и именно его "приняли на вооружение".

ИОННАЯ ОПТИКА СИЛЬНОТОЧНЫХ ПУЧКОВ

Принцип разделения изотопов требует, чтобы пучки ионов разной массы приходили к приемному устройству на достаточном расстоянии друг от друга (по крайней мере в 1 см) и попадали каждый в свою ячейку. Выражаясь научно, нужна дисперсия при разнице масс всего в 1%. Кроме того, они должны быть хорошо сфокусированы, т.е. пучок ионов одной массы "обязан" целиком попасть в свою ячейку, а не расходиться, покрывая соседние.

Поскольку положительные ионы в пучке расталкиваются по закону Кулона*, его объемный заряд компенсируют, т.е. добавляют в него электроны. При малых токах это достигают в процессе ионизации остаточного газа, ведущей к образованию нужного количества элементарных частиц, а при больших - за счет компенсаторов, поставляющих дополнительный поток электронов. К тому же следовало погасить колебания в сильноточном ионном пучке и минимизировать рассеяние на атомах остаточного газа, что также приводит к его расхождению и уменьшению степени обогащения получаемых изотопов.

В московском секторе Арцимовича эти задачи решали доктора физико-математических наук Василий

* Закон Кулона - один из основных в электростатике, определяющий силу взаимодействия между двумя электрически заряженными телами, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними. Установлен французским инженером и физиком Шарлем Кулоном в 1785 г. опытным путем (прим. ред.).

Золотарев, Александр Андрианов, Герман Щепкин, Степан Лукьянов и их коллеги, а также сотрудники его ленинградской лаборатории, возглавляемой одним из основоположников нового раздела физики атомных столкновений доктором физико-математических наук Николаем Федоренко. Обширные изыскания провел известный трудами в области фундаментальных проблем квантовой механики доктор физико-математических наук Олег Фирсов, с 1955 г. работавший у Курчатова. Свой вклад в развитие научных идей внес и сам Арцимович, предложивший неоднородное магнитное поле специальной конфигурации, позволяющее увеличить дисперсию по массам. Эту идею с успехом реализовали, но позже.

В деле создания приемника ионов тоже были свои трудности. Исследователям предстояло познать неизвестные явления взаимодействия электрически заряженных частиц с твердым телом. Что происходит с быстрым ионом, когда он падает на его поверхность: отражается или внедряется в нее? Какова роль распыления, т.е. эрозии поверхности под действием ускоренных ионов? Возможно, все ионы, внедряющиеся в поверхностный слой, "распыляются" вместе с ним? В нашем институте ответы на эти и многие другие вопросы искали доктор физико-математических наук Игорь Головин, кандидаты физико-математических наук Борис Панин и Всеволод Тельковский (последний вскоре защитил докторскую диссертацию и стал заведующим кафедрой физики плазмы МИФИ), в Сухумском физтехе - Манфред Арденне, Виктор и Мария Гусевы, Рача Демирханов, Давид Чкуасели.

К ноябрю 1945 г. в Лаборатории N 2 за сутки получили 70 мг урана-235, обогащенного до 12 - 15 %. А к концу следующего года коллеги Арцимовича выполнили цикл важнейших работ: теоретически и экспериментально изучили различные типы систем ускорения и формирования ионного потока, разработали несколько типов источников, провели анализ состава ионов при использовании прибора с четырехфтористым ураном в качестве рабочего вещества, спроектировали и изготовили камеры для начальных опытов по разделению изотопов. Первые испытания (ионный источник током 20 мА работал 1 - 2 ч) позволили приступить к проектированию и изготовлению опытного промышленного образца разделительной установки на уральском заводе в Свердловске-45.

К концу 1947 г. величину тока довели до 50 мА при 8 - 10-часовой непрерывной работе техники, а через три года - до 100 мА. Тогда на установке СУ-20 с 20-ю разделительными камерами, способной работать до 2 суток непрерывно, получили первую партию высокообогащенного урана-235. Так в Советском Союзе началось его промышленное выделение для атомной бомбы.

Параллельно на заводе в Челябинске под руководством Исаака Кикоина* (академик с 1953 г.) шли работы по молекулярным методам разделения изотопов, основанным на диффузии газа через пористые перегородки. Однако этот способ, обладая значительным превосходством по производительности, не мог дать более 75% обогащения по изотопу урана-235, в то время как для атомного заряда нужна была "взрывчатка" с 94%-ным обогащением. В первой советской бомбе, испытанной на Семипалатинском полигоне** в августе 1949 г., использовали плутоний, полученный в реакторе. Во второй, взорванной там же в октябре 1951 г., - ²³⁵U. Для нее взяли уран с 75%-ным обогащением, полученный на заводе в Свердловске, и довели до нужной кондиции электромагнитным методом.

Однако в том же году ввиду прогресса молекулярных методов разделения изотопов по обогащению урана-235 свердловский завод ликвидировали как самостоятельное предприятие. Разделительные установки вошли в состав другого уральского предприятия, ориентированного на производство лития-6 (⁶Li) для водородной бомбы. Ее успешно испытали в августе 1953 г., что имело огромное значение для военного паритета в мире.

В зарядах двух первых водородных бомб использовали ⁶Li, полученный электромагнитным методом. Далее производство этого ядерного горючего перешло на молекулярные технологии, а электромагнит-

* См.: М. Хализева. Энергия таланта. - Наука в России, 2008, N 3 (прим. ред.).

** См.: Р. Петров. На ядерном полигоне. - Наука в России. 1495, N 1 (прим. ред.).

ные установки пригодились для получения стабильных изотопов. К началу 1970-х годов в Советском Союзе разработали технологии разделения более 40 химических элементов. Только на установке СУ-20, действующей в Курчатовском институте, получали изотопный материал в количествах от долей грамма до нескольких килограммов (в зависимости от распространенности в природе). С тех пор его начали широко применять в медицине, ядерной физике, биологии, геологии и других областях науки.

"НЕЦЕЛЕВОЕ" ПРИМЕНЕНИЕ

В последние годы в России возросло качество обогащения изотопов, что связано со строительством новых электромагнитных установок, использующих для сепарации неоднородные магнитные поля и увеличивающих дисперсию в 2 - 5 раз. Сейчас в нашем институте работают две из них - С-2 и С-5М. Они появились прежде всего благодаря работам Арцимовича и его коллег.

Для дальнейшего развития метода электромагнитной сепарации мы продолжаем совершенствовать ионные источники. Разработанные с высокой эффективностью по разделяемому веществу, рабочей температурой до 1500 °С, они пригодны для промышленного получения изотопов элементов платино-палладиевой группы без ранее применяемого газообразного фтора, негативно влияющего на окружающую среду, а также других элементов с высокой температурой испарения.

Подчеркнем: электромагнитный метод, отставая по производительности от молекулярного, тем не менее продолжает играть заметную роль. Только таким способом производят сегодня изотопы 25 - 30 элементов, в том числе все редкоземельные, щелочноземельные и щелочные.

Сейчас в Курчатовском институте получают стабильные изотопы кальция, кадмия, гадолиния, европия, ртути, палладия, самария, таллия, иттербия, цинка, поставляя их на внутренний и внешний рынки в Германию, Иран, Канаду, Китай, Южную Корею, США, Тайвань, Узбекистан, Францию, Швецию, Японию.

ИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ В МИРНЫХ ЦЕЛЯХ

Технические решения, найденные еще в 1950-х годах, стали основой создания большинства ионных источников, используемых теперь в экспериментальных и технологических ионно-пучковых установках.

На основе ионного источника И-22, разработанного в секторе Павла Морозова, в Курчатовском институте при участии группы специалистов Опытного конструкторского бюро "Заря" (Москва) создали модель космического двигателя тягой в 10 Г, работающую на висмуте. В 1968 г. она продемонстрировала ресурс непрерывной работы 3016 ч. Проведенные в те же годы исследования выявили явные преимущества ионных двигателей по сравнению с другими типами электрореактивных: высокий энергетический КПД, возможность большего удельного импульса, т.е. отношения тяги к весовому секундному расходу вещества, придающего ускорение, основательный эксплуатационный ресурс, широкий выбор рабочих тел. Эти особенности уже тогда определили предпочтительную область их использования - прежде всего для длительных космических полетов. Плазменные же двигатели как более маневренные, способные за относительно короткое время переводить объекты с одной орбиты на другую, оказались более подходящими для ближнего космоса.

В декабре 1971 г. прошли космические испытания двух электрореактивных двигателей - ионного "Зефир", работающего на жидкометаллическом рабочем теле (ртути), и стационарного плазменного "Эол" конструкции доктора физико-математических наук Алексея Морозова, выведенных на орбиту искусственным спутником Земли "Метеор"*. Цельдостаточ-

* См.: В. Сенкевич. Российская космонавтика на рубеже веков. - Наука и России, 2001, N 1; Ю. Марков. Космодром Байконур: 50 лет на службе человечества. - Наука в России, 2005, N 3 (прим. ред.).

но рискованного по тем временам эксперимента состояла в том, чтобы проверить их работоспособность в условиях космоса, включая измерение развиваемой тяги, исследовать влияние работы двигателей на системы спутника (в частности, радиосвязь) и, в конечном счете, определить возможности их использования как штатных систем искусственных спутников Земли. Проведенные испытания подтвердили полное соответствие расчетных характеристик установок реально продемонстрированным техническим параметрам.

К сожалению, сейчас ионные двигатели не находят применения: ведь о многолетней одиссее на космическом корабле пока можно только мечтать. Иное дело - стационарные плазменные. Они востребованы, ибо отвечают запросам практического космоса - ему как раз необходима техника для маневрирования.

На основе установок, созданных Павлом Морозовым и его соратниками, появились источники многозарядных ионов для циклотрона в Объединенном институте ядерных исследований* (город Дубна Московской области). С их помощью в Лаборатории ядерных реакций Георгия Флерова (академик с 1968 г.) искусственно получили трансурановые элементы**. Кстати, эти работы в 1975 г. удостоены Государственной премии СССР.

Найденные при разработке электромагнитного разделения изотопов решения нашли применение, в частности, в плазменных нейтрализаторах, созданных в начале 1970-х сотрудниками Курчатовского института кандидатами физико-математических наук Рэмом Кузьминым и Николаем Балаевым для упомянутого космического двигателя "Зефир". Еще раньше, в конце 1960-х годов, его использовали на высотных автоматических ионосферных лабораториях "Янтарь", запускаемых с помощью серийных отечественных геофизических ракет для исследования особенностей работы тех же электрореактивных двигателей.

Проблемы сильноточных ионных пучков стимулировали глубокое изучение физики атомных столкновений. Мировую известность приобрели работы Николая Федоренко (Ленинградский физико-технический институт). Полученные им в конце 1940-х - начале 1950-х годов данные о взаимодействии атомных частиц стали главным источником имеющихся в этой области знаний. В значительной степени благодаря им обеспечен давний и бесспорный приоритет нашей науки в физике атомных столкновений. В апреле 1972 г. цикл этих работ отметили Ленинской премией, которую Федоренко разделил с соратниками докторами физико-математических наук Владимиром Дукельским и Вадимом Афросимовым, а также коллегами из Курчатовского института Олегом Фирсовым и кандидатом физико-математических наук Всеволодом Беляевым.

Но, пожалуй, наибольшее применение нашли труды по взаимодействию ионов с поверхностью. После решения задачи получения урана-235 и лития-6 интерес к ним возрос. Такие исследования успешно вели Виктор и Мария Гусевы, перешедшие из Сухумского физтеха в Курчатовский институт в начале 1960-х. К перспективному направлению Арцимович подключил других специалистов своего отдела, а затем и сотрудников возглавляемой им на физическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова кафедры атомной физики и электронных явлений. Проблемой серьезно занимались и на "соседней" кафедре электроники, а также в Ташкентском институте электроники (Узбекистан).

Благодаря полученным в конце 1950-х и в 1960-х годах знаниям в области ионного распыления твердых тел стало возможным управлять процессами эро-

* См.: А. Сисакян. Мировая слана Дубны. - Наука в России. 2006, N 2; А. Сисакян. Каркасные проекты - прорыв в будущее. - Наука в России, 2008, N 6 (прим. ред.).

** См.: Е. Молчанов. В поисках "островов стабильности". - Наука в России. 1999, N 3 (прим. ред.).

Схема установки для комбинированной технологии, сочетающей вакуумное плазменное нанесение покрытий и облучение ионным пучком, созданная в Курчатовском институте.

зии в ионно-пучковых и плазменных установках, включая термоядерные. Распыление - важный фактор в работе Международного экспериментального термоядерного реактора*, строящегося в Кадараше (Франция). Его также используют в технологиях нанесения покрытий, улучшающих, например, технические характеристики инструментов. Глубокие исследования отражения ионов от поверхности, ион-ионная эмиссия легли в основу современных методов диагностики поверхности.

Замечательное наследие - ионная имплантация. Гусевы одними из первых поняли: установки для электромагнитного разделения изотопов, позволяя управлять процессами внедрения ионов в поверхностные слои, наилучшим образом подходят для легирования полупроводников. В 1963 г. Арцимович создал в Курчатовском институте лабораторию ионной бомбардировки (руководитель Виктор Гусев), где серьезно изучали эти вопросы. Фундаментальные работы, выполненные ее сотрудниками в 1960-х - начале 1970-х годов, заложили основу метода ионной имплантации полупроводников. За освоение серийного выпуска специального технологического оборудования, создание промышленных основ этой технологии, новых типов полупроводниковых приборов и интегральных схем для народного хозяйства, оборонной техники коллектив получил в 1979 г. Государственную премию СССР.

Сейчас здесь работает ускоритель "ИЛУ" с разделением ионов по массам - аналог масс-сепаратора С-5М, используемый для совершенствования технологии ионной имплантации. Поскольку она повышает твердость металлов, их коррозионную и износостойкость, уменьшает коэффициент трения, то ее применяют для улучшения качественных характеристик волочильного, режущего и штамповочного инструментов, а также полимеров, обладающих высокоэластичными свойствами. Скажем, упругие вкладыши дейдвудных подшипников атомного ледокола "Арктика", в основном воспринимающих вес гребного винта и вала, после соответствующей обработки выдержали поход на Северный полюс, не требуя замены (подобные детали лучших зарубежных фирм необходимо менять после каждой крупной экспедиции). Прошедшие ионную имплантацию вкладыши использовали также на ледоколе "Леонид Брежнев" и в насосах Калининской атомной станции (город Удомля Тверской области).

Созданный в 1990 г. в Курчатовском институте имплантационно-плазменный ускоритель "Вита" с пучками ионов высокой (до 40 кэВ) и низкой (250 - 300 эВ) энергии сегодня "служит" Уфимскому моторостроительному объединению, где ионную имплантацию применяют на финишной обработке лопаток компрессора авиационного двигателя, что увеличивает время их жизни в 2,5 - 3 раза.

Наши специалисты предложили промышленности комбинированную технологию: вакуумное нанесение покрытий (включая реактивное осаждение) в сочетании с имплантацией пучком высокоэнергетических (до 50 кэВ) ионов металлов. Она улучшает адгезию покрытий, в том числе многослойных, их технические характеристики: твердость, износостойкость и др. Широкое применение технология получит в совместном проекте корпорации "Роснано", Газпромбанка и Научно-производственного объединения "Сатурн" (город Рыбинск Ярославской области) "Создание предприятия, производящего металлорежущий инструмент с наноструктурированным покрытием", реализация которого началась в сентябре 2008 г. Строительство завода идет в Рыбинске на площадке "Сатурна". Его основной продукцией станет твердосплавный инструмент для обработки деталей авиадвигателей. При этом НПО будет самым крупным потребителем продукта, обеспечивая гарантированный спрос 30% его годового выпуска. Оставшаяся часть пойдет российским производителям машиностроительного комплекса. В перспективе возможен выход и на международный рынок. Ключевая технология проекта - нанесение наноструктурированных покрытий на инструмент - создана в Курчатовском институте в рамках Федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса РФ на 2008 - 2012 гг.".

* См.: В. Глухих. На пороге термоядерной эры. - Наука в России. 2003, N 3: Л. Голубчиков. Токамак - интернациональный проект. - Наука в России. 2004, N 1 (прим. ред.).

Publisher:

Permanent link for scientific papers (for citations):

Comments: