8.2. Атомные материалы

Золотов Юрий Александрович
Академик РАН

 

Как известно, с начала 1940-х годов в США, СССР и Германии были почти одновременно развёрнуты работы по использованию атомной (точнее, конечно, ядерной) энергии – в то время исключительно для военных целей. Практически сразу стала актуальной проблема создания материалов для ядерных реакторов и атомных бомб. Конструкционные материалы для peaкторов должны были отвечать исключительным и ранее никогда не предъявлявшимся требованиям. Так, в цирконии практически не должен был содержаться гафний. Понадобился графит с исключительно низким (<10^–4%), содержанием элементов, сильно поглощающих нейтроны, – бора, кадмия, некоторых редкоземельных элементов. Жёстким требованиям и не только по элементному, но и по изотопному составу должен был удовлетворять уран. Получение этих и других материалов с заданными характеристиками невозможно было без соответствующих методик анализа. Поэтому в рамках «урановых проектов» и в СССР, и в США были созданы специальные научные подразделения, отвечающие за обеспечение аналитического контроля и соответственно, за научно-технические решения в этой области. Подбору специалистов и исследованиям в данной области мешала засекреченность «урановых проектов». В советской открытой печати одно время даже было запрещено упоминать само слово «уран». До сих пор в научной печати опубликовано не так уж много материалов о химико-аналитических исследованиях, связанных с этими проектами.

В СССР за «химико-аналитическую» часть атомного проекта отвечал А.П. Виноградов, будущий академик. Многие крупные аналитики, принимавшие участие в советском проекте, в то время, как и Виноградов, работали в институтах Академии наук СССР (П.Н. Палей, Д.И. Курбатов и многие другие). Частично методические работы проводились в научных учреждениях в Москве и других городах, частично непосредственно «на местах» – на комбинате 817 (будущий комбинат «Маяк» под Челябинском), на Уральском электрохимическом комбинате и т.д. В нарождающейся атомной промышленности сложились группы высококвалифицированных аналитиков. Например, во Всесоюзном институте неорганических материалов работали аналитиками будущие или уже состоявшиеся доктора наук Л.В. Липис, В.К. Марков, С.В. Елинсон, А.Е. Клыгин, И.В. Моисеев, А.В. Виноградов и другие; во Всесоюзном институте химической технологии – В.А. Пчелкин, Ю.К. Кварацхели, В.К. Лукьянов и ряд других, в Физико-техническом институте (г. Обнинск) – А.Г. Карабаш. В числе первых аналитиков, занимавшихся плутонием и другими трансурановыми элементами, был Борис Васильевич Курчатов – брат научного руководителя «уранового проекта» И.В. Курчатова.

Рис. 8.1. Александр Павлович Виноградов [9(21).08.1895–16.11.1975] руководил химико-аналитическим направлением советского атомного проекта.

На первой стадии выполнения «уранового проекта» в Советском Союзе начался поиск месторождений урана, потребовавший нового аналитического обеспечения. Так, в 1945 г. был налажен серийный выпуск гамма-радиометров, такие приборы устанавливали даже на самолёты. В развитие данной области важный вклад внёс А.Л. Якубович. Почти одновременно были развёрнуты исследования по технологии получения и очистки урана, по разделению и обогащению его изотопов, по созданию особо чистых конструкционных материалов для строительства будущих атомных реакторов. Результаты анализов были нужны на всех этапах выполнения проекта, и химико-аналитические исследования проводили сразу в нескольких направлениях.

Вот выдержка из совершенно секретного документа [1], датированного августа 1946 г. и направленного правительственному куратору атомного проекта – Л.П. Берия. Это отчёт организаторов проекта Б.Л. Ванникова, И.В. Курчатова, М.Г. Первухина, И.И. Малышева, И.К. Кикоина о работе за полтора года (1945–1946 гг.). Напомним, что советская атомная бомба будет взорвана ещё только через три года.

«На протяжении всей работы осуществления проекта уран-графитового котла разработка достаточно точных методов химического анализа явилась первостепенной, очень сложной и трудноразрешимой. Задача получения чистого металла оказалась очень сложной как потому, что технология получения химически чистого урана вообще очень мало разработана, так и потому, что необходимо определять некоторые примеси в количестве… одна двухсоттысячная [доля] процента, с которыми в практике наши аналитические лаборатории и институты не встречались. За истекшее время в 1946 г. научно-исследовательские институты и лаборатории, привлечённые к разработке аналитического метода, нашли способ определения большинства наиболее опасных примесей для котла и в настоящее время эта сложная исследовательская работа подходит к завершению...по всем видам примесей. Химический анализ ряда партий металлического урана, выпускаемого заводом №12, показал, что уран может быть получен достаточно чистым, и, таким образом, есть все основания ожидать, что к моменту постройки уран-графитового котла он будет обеспечен металлом».

Для определения элементного состава материалов атомной промышленности в то время применяли различные методы, в том числе фотометрические (с применением органических реагентов), полярографию, атомно-эмиссионный анализ. В 1962 г. вышла в свет книга «Аналитическая химия урана», в которой были систематизированы и обобщены разработанные к этому времени методы определения урана [2]. В ней, в частности, отмечено: «Методы определения урана с неокрашенными реагентами в последние годы не всегда стали удовлетворять возросшим требованиям по чувствительности. Поэтому наметилась тенденция к использованию органических окрашенных реагентов, как правило, более чувствительных. Из них наибольшее применение, видимо, нашёл реагент арсеназо 1 (или уранон), синтезированный и предложенный для определения урана в 1941 г. В.И. Кузнецовым».

Рис. 8.2. Авторы книги об определении урана многое сделали для аналитического контроля в атомной промышленности.

Большой опыт анализа сырья для атомной промышленности, а также соединений урана, бериллия и других элементов накопился во Всесоюзном институте химической технологии. Здесь, как и в других лабораториях, занимавшихся материалами атомной техники, роль химических методов (включая электрохимические и фотометрические) постепенно снижалась. Снижалась значимость методов разделения и концентрирования элементов (экстракции, сорбции, ионного обмена), которые вначале применяли очень широко. Зато постоянно расширялось применение мощных физических методов.

Разработка методов анализа урана на нейтронопоглощающие и другие примеси в значительной мере стимулировала создание и совершенствование методов определения очень низких содержаний любых элементов. Такого рода работы применительно к атомно-эмиссионному анализу были обобщены в книге «Спектральный анализ атомных материалов», написанной А.Н. Зайделем, Н.И. Калитеевским, Л.В. Липисом и М.П. Чайкой (1960 г.).

При исследовании продуктов деления урана возникла задача определения большого числа радиоактивных элементов в их сложных смесях (радиохимический анализ). Под радиохимическим анализом понимали идентификацию, оценку содержания, а иногда и определение каких-либо физических характеристик радионуклидов в их смесях. Этот вид анализа родился ещё в начале XX в., задолго до уранового проекта. С подобными же задачами позднее столкнулись физики при расшифровке состава продуктов, полученных при облучении каких-либо элементов или соединений на циклотронах и синхофазотронах. Решением подобных задач занимались и занимаются в основном радиохимики, но и аналитики тоже. В рамках радиохимического анализа возникла совершенно новая проблема – создание аналитической химии трансурановых элементов, прежде всего плутония, затем нептуния, америция и других. Возникавшая временами идея создать ториевый реактор стимулировала интерес к протактинию.

Анализ облучённых материалов, сред с высокой активностью – нелёгкая задача не только с научной точки зрения, но и с точки зрения безопасности работы: радиоактивность есть радиоактивность. Это как раз та область, где нужна максимальная автоматизация, необходим дистанционный анализ. В этом направлении было многое сделано в разных странах. Ещё в конце 1960-х годов достигнутое в рассматриваемой области было обобщено в книге Б.В. Шелемина [3].

В 1940–1950-е годы возник интерес к ультрамикроанализу. Этим термином называли совокупность методик, предполагающих операции с очень малыми количествами анализируемого вещества – с пробами массой порядка нескольких милиграммов, с объемами около микролитра. Внимание к ультрамикроанализу было стимулировано задачами радиохимического анализа. Ведь количества трансурановых элементов в первые годы были ничтожны! Исследования по ультрамикроанализу успешно развивались в США (П. Кирк, А. Бенедетти-Пихлер [4, 5] и др.), а в послевоенные годы получили продолжение и в СССР (И.П. Алимарин. М.Н. Петрикова). Тогда в ультрамикроанализе применяли чисто химические методы. Но уже через несколько лет ультрамикроанализ (в этом понимании) потерял своё значение в связи с появлением более мощных физических методов.

Существенным разделом аналитических исследований в рассматриваемой области был (и остаётся) изотопный анализ. Долгое время он был лишь методом научного исследования. Его применяли физики, потом физикохимики, радиохимики, геологи (определение возраста горных пород), археологи (датировка углеродным методом). Однако при решении атомной проблемы с начала 1940-х годов он фактически стал методом производственного контроля; особенно это относилось к определению изотопов урана (235U, 238U). Другая важная область изотопного анализа – контроль «тяжёлой воды».

Разделять изотопы урана (точнее – обогащать уран его активным изотопом) необходимо было в больших масштабах. В СССР для этого использовали газодиффузионный метод, потом ультрацентрифугирование. Степень разделения изотопов надлежало тщательно контролировать. В США такие работы вели в лаборатории, которая впоследствии получила название «Окриджская национальная лаборатория» (штат Теннеси), в СССР – на Уральском электрохимическом комбинате (г. Новоуральск, Свердловская обл.). На этом комбинате масс-спектрометрическая лаборатория изотопного анализа гексафторида урана существует с 1948 г. Эта лаборатория не только обслуживала производство, но и сама разрабатывала масс-спектрометры. Помимо масс-спектрометрии для изотопного анализа применяли характеристики изотопного распада, атомно-эмиссионный спектральный метод, впоследствии ядерный магнитный резонанс. Однако масс-спектрометрия и в настоящее время остаётся основным методом изотопного анализа. Не случайно уже в начале XXI в. Министерство атомной энергии Российской Федерации заказало Институту аналитического приборостроения РАН разработку изотопных масс-спектрометров нового поколения.

В Ленинградском университете в 1948 г. на кафедре оптики была организована лаборатория спектрального анализа (А.Н. Зайдель), её задачей была разработка и внедрение чувствительных методов элементного анализа высокочистых атомных материалов; эти работы отражены в уже упомянутой монографии [3]. Но в 1950-х годах лаборатория занялась изотопным спектральным анализом и многого добилась в этом направлении (А.А. Петров, А.Г. Жиглинский, В.М. Немец и др.). На эту тему написано несколько книг; укажем монографию А.А. Петрова «Спектрально-изотопный метод исследования материалов» (1974 г.).

В 1960-е годы на первый план вышли атомные материалы гражданского назначения. Это было, в частности, «ядерное топливо» для атомных электростанций. Государственные организации, отвечающие за атомную энергетику, с того времени выступают в роли заказчика и спонсора исследований в области аналитической химии. В России это Государственная корпорация Росатом. Для аналитической химии открылось новое поле исследований, возникли новые задачи, требующие нестандартных подходов, например задача контроля состава отработанного ядерного топлива. Интересные и сложные задачи появились и в других направлениях (обнаружение сверхнизких количеств синтезируемых транскюриевых элементов, обнаружение следов ядерных взрывов).

Аналитическую химию трансурановых элементов активно развивал коллектив радиохимической лаборатории Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского АН СССР (ГЕОХИ). Этот коллектив возглавляли сначала П.Н. Палей, затем – долгие годы – Б.Ф. Мясоедов.

Мясоедов Борис Фёдорович. Род. 02.09.1930 г. Окончил Московский химико-технологический институт им. Д.И. Менделеева. Академик РАН, профессор, работал заместителем директора ГЕОХИ, заместителем главного учёного секретаря РАН. Был активным членом Международного союза теоретической и прикладной химии. Лауреат многих премий, награждён международной медалью им. Хевеши. Совместно с коллективом лаборатории созданы многочисленные методы выделения и определения протактиния, урана, нептуния, плутония, америция и других элементов. При участии лаборатории создан и используется в атомной промышленности прецизионный кулонометр.

Рис. 8.3. Борис Фёдорович Мясоедов (род. 2 сентября 1930 г.) с сотрудниками разработали многочисленные методы анализа ядерных материалов.