atomic

Уран, обогативший Россию: как американцы случайно уничтожили свою атомную промышленность

Ядерное топливо для реакторов или начинку атомной бомбы невозможно получить без процесса разделения изотопов урана.

В этой области мы прошли долгий путь — от маленьких институтских лабораторий 30-х годов прошлого века до госкорпорации "Росатом", доминирующей сегодня на мировом рынке разделения урана. С чего все началось? Какую роль в становлении мировой атомной энергетики сыграли немецкие ученые?

Как получилось, что своей разделительной промышленности лишились США, а российская госкорпорация стала мировым лидером?

Ruposters представляет спецпроект, который расскажет об истории атомной энергетики в России и мире.

Из этого текста вы узнаете:

• Как русские "уничтожили" разделительную промышленность США, оставив на память "фонящие" площадки закрытых американских заводов

• Как далеко нацисты были от создания ядерной бомбы и реактора

• Почему СССР повезло при дележке немецких ученых

• Как устроен "ядерный бизнес" королевских семей Виндзоров и Оранских

• Как один пакистанец своровал документы европейских ядерщиков и стал отцом пакистанского оружия массового поражения

• Кто поделился с Индией технологиями для создания ядерной бомбы и когда мир увидел "Улыбающегося Будду"

• Что такое ВОУ-НОУ или как русские после распада СССР разоружались за счет американцев

• Как американцы, сами того не желая, помогли сохранить российскую атомную промышленность, попутно уничтожив свою собственную.

I. Американская мечта

Исследования в области атомной науки и технологий американцы вели еще с 30-х годов, когда были в общих чертах определены направления новой отрасли: атомное оружие, атомная энергетика, атомный флот. В 1943 году все работы по атомной тематике были сведены в единый Манхэттенский проект. Одной из ключевых его задач было изучение способов разделения изотопов урана с целью повысить содержание полезного, "горючего" изотопа — U-235. В природной руде его содержится не более 0,7%, для запуска легководного реактора, основы мировой атомной энергетики, требуется хотя бы 2,5%, для бомбы нужен металл с содержанием U-235 не менее 90%.

В США разрабатывались все способы обогащения урана, но продолжительное промышленное применение нашли два: электромагнитный и газодиффузионный.

Электромагнитный способ разделения изотопов был разработан университетом Беркли в Калифорнии на основе хорошо известного в науке масс-спектрометрического метода. Сама промышленная установка была названа "калютрон". Буквально за два года, к январю 1944-го, в городе Оук-Ридж в штате Теннесси по этой технологии был построен завод Y-12, немедленно начавший нарабатывать уран для первых атомных бомб.

Газодиффузионная технология досталась американцам в уже хорошо проработанном виде от Великобритании: до войны у Соединенного Королевства был собственный проект разработки ядерного оружия. По Квебекскому соглашению 1943 года британцы передали все свои наработки США, и командовавший Манхэттенским проектом генерал Гровс приказал двигаться в новом направлении как можно быстрее. К 1949 году в том же Оук-Ридже появился еще один завод — K-25, также подключившийся к оружейному проекту. Уже во время строительства он стал самым большим по площади зданием на Земле и проработал, постепенно развиваясь и совершенствуясь, аж до 1987 года.

С первых лет работы стало понятно, что газодиффузионный метод требует в десятки раз меньших энергозатрат на килограмм обогащенного урана. Поэтому завод Y-12 был переориентирован на другие задачи вроде получения материалов для термоядерных бомб, выпуска медицинских изотопов и начинки для термоэлектрических источников питания. В этом качестве он успешно работает и по сей день.

А по образу и подобию К-25 в Кентукки и Огайо были построены еще два колоссальных комбината. Постепенно расширяясь и совершенствуясь, они достигли ко второй половине 80-х годов производительности в 27 миллионов единиц работ разделения (ЕРР) в год, став крупнейшим в мире разделительным комплексом.

Интересно, что производить уран для оружейных нужд американские заводы перестали уже в 1964 году. Наработанного к тому времени с лихвой хватало на многократное уничтожение всего живого на планете — и разделительные заводы целиком посвятили себя производству низкообогащенного урана для атомных электростанций и корабельных реакторов.

Уже началу 70-х годов США владели самым большим в мире "парком" АЭС, строили их по всему миру, сразу же заключая контракты и на поставку топлива. Заказчик автоматически вовлекался в политическую орбиту США, подписывал обязательства о нераспространении ядерного оружия и десятки лет приносил хороший доход.

Производство топлива для американских АЭС и тогда, и сейчас устроено по схеме толлинга: операторы АЭС покупают концентрат урановой руды у горнодобывающих компаний и передают разделительным заводам, те обогащают уран до нужной концентрации U-235 и передают сырье на топливные заводы. Там его запекают в керамические таблетки, таблетки упаковывают в топливные стержни, стержни связывают в сборки, а сборки, наконец, отправляют на АЭС и загружают в реакторы. Страна, способная самостоятельно выполнять все этапы этого цикла, намертво "привязывала" к себе любого заказчика АЭС.

Но даже в конце 70-х годов, находясь на пике, американская разделительная промышленность могла покрыть в лучшем случае 80% потребностей американских АЭС в топливе, остальное заказывали в Европе. А еще через 20 лет на рынок придут русские и полностью уничтожат разделительную промышленность США, оставив на память "фонящие" площадки закрытых американских заводов.

Один из первых "калютронов", работавших на заводе Y-12 | Фото: Articleblog

Строительство Y-12 | Фото: Articleblog

Завод К-25 | Фото: K-25 VIRTUAL MUSEUM

Демонтаж завода К-25 | Фото: K-25 VIRTUAL MUSEUM

Исаак Кикоин

Лев Арцимович

Фриц Ланге

Евгений Каменев

II. Попытки догнать и перегнать Америку

К середине 40-х годов в Советском Союзе, в отличие от западного блока, готовых технологических решений не существовало. Так же как и в Штатах, в СССР вопросами атомной энергетики еще с конца 20-х гг. занимались специальные исследовательские группы — Кикоина, Арцимовича, Каменева, Ланге, Шпинеля. И они с успехом разрабатывали все направления разделительных и прочих атомных технологий.

Мало кто знает, что первый патент на устройство атомной бомбы был выдан в 1940 году авторскому коллективу в составе Ф.Ф. Ланге, В.С. Шпинеля и В.А. Маслова. Проект был нерабочий, но с точки зрения концепции и теории гораздо более правильный, чем немецкий проект военных времен. Тем не менее проработанных промышленных технологий разделения изотопов урана к концу Великой Отечественной войны у наших ядерщиков не имелось.

Когда в 1945 году взорвались первые бомбы и началась атомная гонка, в СССР, как и в Штатах, ухватились за самую к тому времени проработанную технологию электромагнитной сепарации, и к 1950 году под руководством академика Курчатова и профессора Арцимовича построили завод №814 — меньшей мощности, чем Y-12, но вполне работоспособный. Впрочем, для промышленного обогащения урана он практически не использовался. К началу 1952 года советское руководство тоже подсчитало соотношение стоимостей разделения и завод перепрофилировали на работу с другими изотопами для военных и невоенных нужд. И он тоже, как его американский "коллега", успешно занимается этим и в наши дни.

Параллельно на основе своих заделов группа Кикоина разрабатывала технологию газодиффузионного разделения: к 1949 году на будущем Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК) запустили первый каскад диффузионных машин, быстро стали наращивать его мощность и строить новые объекты. Вообще все нынешние российские разделительные комбинаты начинались именно с диффузионной технологии, и использовалась она до конца 80-х годов.

Центрифужная технология разделения в первые послевоенные годы была непопулярной во многом из-за донесений советской разведки, свидетельствующих об отсутствии значимого прогресса у США.

Но для диффузионного разделения требуются крайне своеобразные материалы — микромембраны из экзотических сплавов благородных металлов, толщиною в доли миллиметра, содержащие на 1 кв. см. по 50-60 млн равномерно и упорядоченно распределенных отверстий. Технологии их производства засекречены до сих пор и у нас, и в США. За разработку и успешное тестирование микромембран Исаак Кикоин получил Ленинскую премию, но их изготовление в послевоенном СССР было сопряжено с огромными трудозатратами. Так начали искать более оптимальные методы разделения.

И в этом смысле советскому атомному проекту повезло: при послевоенной дележке немецкого наследия нам достались подходящие инженеры и ученые. Штаты и Великобритания прихватили практически в полном составе головной берлинский Uraniumgesellschaft и с удовольствием обнаружили, какие масштабные ошибки сделали немцы и как далеко они находились от создания бомбы и реактора.

Советскому Союзу же достались небольшие исследовательские объединения, занимавшиеся второстепенными, с точки зрения немецкого руководства, задачами и поэтому не тяготившиеся давлением идеологии и авторитетов. Их было мало — гораздо меньше, чем уехало работать в США и Великобританию, но их вклад был очень важен.

Завод №814, вид со спутника | Фото: История Росатома

Разделительная установка СУ-20 – советский аналог "калютрона" | Фото: История Росатома

III. Секретные исследования немцев в СССР

Одной из таких второстепенных фигур немецкого атомного проекта был Манфред фон Арденне: дворянин, талантливый физик-прикладник, успешный бизнесмен, спортсмен и плейбой — в общем, "истинный ариец".

У него был свой частный исследовательский центр в Лихтенфельде, находившийся на периферии немецкого атомного проекта, но работавший над прорывными для того времени вещами: ускорителями частиц, электромагнитным и центрифужным разделением, рентгеновскими и электронными микроскопами. Там же, к слову, была выполнена первая в мире электронная телепередача изображения. Всего у фон Арденне было более 600 патентов в самых разнообразных областях. Помимо прочего, разрабатывали там и центрифугу… только не для разделения изотопов, а для быстрого определения их концентрации в газах.

Бон фон Арденне коммунизм не любил. Но еще больше он не любил американцев. В 1945 году он собрал коллектив, все оборудование и переехал в СССР, где его людей, специализировавшихся на разделении изотопов, вскоре переместили в секретный исследовательский центр в Сухуми (впоследствии Сухумский физико-технический институт). Группу усилили специалистами по ядерной физике во главе с другим немцем — Максом Штеенбеком, едва не сгинувшим в советском лагере для военнопленных в Познани в 1945 году.

В течение семи лет иностранные специалисты совместно с советскими рабочими группами под руководством Каменева, Соболева, Синева и других работали над технологиями разделения. Постепенно стало понятно, что центрифужный метод разделения изотопов может стать самым эффективным. В некоторых вопросах немцы играли ведущую роль, многое из того, что определило впоследствии облик советской разделительной технологии, разработала именно группа фон Арденне-Штеенбека. В некоторых — были оппонентами для советских коллег, "вторым мнением", без которого невозможна была бы разработка более эффективных решений.

К 1952 году все немецкие специалисты были отстранены от работ по разделительной тематике и отправлены в Ленинград, а затем в Киев — на карантин перед возвращением домой. Дальнейшее развитие центрифужного метода происходило уже полностью силами советских ученых под руководством легендарного академика Кикоина. Силами этих специалистов, в первую очередь многолетнего энтузиаста центрифужного метода Е.М. Каменева, технология была доведена до промышленной реализации.

Основной чертой, отличавшей советские и российские центрифуги от европейских и американских, стал короткий, метровой длины, устойчивый к резонансным колебаниям ротор — не самое эффективное решение с точки зрения теории разделения, зато очень правильное в смысле промышленного освоения. Эти короткие центрифуги уже работали стотысячными партиями на комбинатах, когда европейские и американские конкуренты все еще решали проблемы стабилизации многометровых — правильных с точки зрения теории — роторов.

С середины 60-х годов построенные к тому времени диффузионные мощности стали постепенно заменять центрифугами, сокращая энергопотребление и одновременно наращивая производительность. Процесс этот продолжался до 1990 года, когда последние диффузионные агрегаты на Ангарском комбинате вывели из эксплуатации. К концу советской эпохи совокупная мощность четырех советских разделительных комбинатов составляла порядка 25 миллионов ЕРР — меньше, чем у американцев, но эти мощности обходились советскому Министерству среднего машиностроения в десятки раз дешевле.

АЭС в социалистическом лагере было построено существенно меньше, чем на Западе, да и строить их начали позже, так что у СССР, даже несмотря на интенсивную наработку оружейного урана, всегда был некоторый запас разделительных мощностей — их хватало, чтобы обеспечивать топливом всю Восточную Европу и периодически выполнять контракты для Западной.

Агентом по оказанию "ядерных" услуг на внешний рынок выступало внешнеэкономическое объединение "Техснабэкспорт" или TENEX, основанное еще в 1949 году. Большую часть своей истории "Техснаб" подчинялся Министерству внешней торговли и был передан в управление Министерства средней промышленности лишь в 1988 году. Первый контракт на услуги разделения был заключен в 1971 году с Францией, потом последовали Италия, ФРГ, Швеция, Испания, Великобритания, Бельгия и Южная Корея (с большинством из них TENEX успешно сотрудничает и по сей день), затем, по мере строительства АЭС в социалистических странах, "Техснаб" стал поставлять топливо и туда.

Характерно, что TENEX много раз, еще с начала 70-х годов, пытался предложить услуги разделения США, но американцы были уверены в своем абсолютном техническом превосходстве и даже не пытались заполучить единственный, по сути, канал информации из-за железного занавеса о технологиях и стоимости разделения.

Манфред фон Арденне | Фото: Bundesarchiv

Производство изотопов на УЭХК | Фото: fbural.ru

Производство изотопов на УЭХК | Фото: fbural.ru

IV. Ядерный бизнес королей

Немецкие ученые, уехавшие вместе с фон Арденне в СССР и работавшие там над ядерным проектом, начали возвращаться в Германию в середине 50-х. В их числе был и Гернот Циппе, один из ведущих сотрудников группы, создававшей разделительную центрифугу.

В 1957 году он принял участие в проходившем в Амстердаме международном симпозиуме, полностью посвященном тематике разделения изотопов, в котором выступали многие ученые с мировым именем из США, Германии, Голландии и Великобритании. К тому моменту вовсю шла холодная война, советских делегатов на мероприятии не было, и Циппе оказался единственным человеком, осведомленным о состоянии атомной энергетики в СССР. Его рассказ произвел колоссальное впечатление на коллег: эти встречи стали поворотным моментом для всей западной атомной промышленности. Циппе нашел работодателя в лице концерна Degussa, одного из главных предприятий бывшей нацистской атомной программы. В том же году он запатентовал в Западной Германии свою конструкцию центрифуги, вложив в патент все, что успел наработать в СССР, и все, что не было принято советской промышленностью.

Вскоре он получил приглашение от американской исследовательской группы профессора Джесса Бимса при университете Вирджинии. Циппе координировал сотрудничество "Дегуссы" с университетом и, благодаря вывезенному из СССР интеллектуальному багажу, крепко держался в научной области. Поразительно, но этот человек стоял у истоков всех трех главных мировых атомных проектов.

В 1960 году группа Бимса добилась успеха — их работами по центрифугам наконец-то всерьез заинтересовался Пентагон. Парадоксальным образом это стало концом американской карьеры Циппе: работы засекретили, допуск (как и американское гражданство) ему почему-то не выдали, и в 1960 году "атомный австриец", смертельно злой на военную науку всех стран, вернулся в Западную Германию.

На родине Циппе не терял времени даром, и уже в 1964 году при его непосредственном участии была создана государственная компания с непроизносимым названием GesellschaftfurKernverfahrentechnik (GKT), основной целью которой была разработка и доведение до промышленного применения технологий центрифужного обогащения урана.

GKT активно налаживала сотрудничество с ядерщиками Великобритании и Голландии и в 1971 году, после преобразования из государственного предприятия в корпорацию Uranit, создала с голландской Ultra-Centrifuge Nederland (UCN) и британской BNFL совместное предприятие под названием URENCO — для снабжения ядерным топливом АЭС в Западной Германии, Голландии и Великобритании.

За британским и голландским акционерами стояли (и сейчас стоят) королевские семьи Виндзоров и Оранских, так что ни с лицензированием, ни с деньгами у концерна проблем не было. В том же 1971 году в немецком Гронау был заложен первый европейский разделительный завод, до конца десятилетия к нему добавились голландский в Альмело и британский в Кейпенхерсте. К 1990 году суммарная мощность трех заводов компании составила около 13 млн ЕРР в год — уверенное третье место после США и СССР.

Очень быстро URENCO вышла на американский рынок, с наполнением которого катастрофически не справлялись американские заводы, и с тех пор обеспечивает на нем почти половину объемов.

Благодаря сочетанию экономичных центрифуг и высоких рыночных цен, задаваемых американскими и французскими диффузионными заводами, URENCO почти 20 лет приносила своим создателям фантастические прибыли. Конец этому раю положили... все те же русские, которые в конце 80-х – начале 90-х по неосторожности обрушили рынок в несколько раз. С тех пор компания балансирует на грани рентабельности, а владельцы периодически пытаются ее продать, но из-за политических ограничений не могут найти покупателей.

Всю свою историю URENCO сопровождали скандалы из-за нарушений прав на интеллектуальную собственность и режима нераспространения. Один из самых громких таких случаев произошел вскоре после создания компании в 1974 году: работавший в UCN пакистанец Абдул Кадыр Хан получил доступ к документации URENCO, аккуратно скопировал все, касавшееся центрифуги Циппе и отчалил на историческую родину. Там он стал одним из основателей ядерной программы Пакистана, отцом тамошнего оружия массового поражения и живой легендой всего исламского мира. Мирному существованию ядерного клуба, только-только пришедшего в себя после Карибского кризиса, пришел конец.

Впоследствии, в 80-х годах, Кадыр Хан зарегистрировал собственную научную корпорацию и передал ядерные технологии Ирану, Ливии и КНДР, чем навсегда изменил геополитический баланс в мире. За такое URENCO, конечно, стоило закрыть раз и навсегда, а сотрудников ее службы безопасности передать советским коллегам для организации длительных многолетних туров в Сибирь. Но совместные усилия двух могущественных королевских семей Виндзоров и Оранских без особого труда смогли погасить даже такой чудовищный скандал.

Интервью с Гернотом Циппе

Завод Urenco в немецком Гронау | Фото: urenco.com

Обложка TIME с Кадыр Ханом

V. Канадская самобытная программа

Закрытость американской ядерной программы и чрезмерная дороговизна их технологии разделения урана привела не только к появлению европейского разделительного консорциума, но и подтолкнула Канаду к созданию собственной атомной промышленности полного цикла.

Еще в начале 50-х гг., убедившись, что делиться атомными технологиями американцы не планируют ни с кем, канадские ученые разработали собственный проект реактора CANDU, подозрительно напоминающий немецкие проекты времен Третьего рейха, но в отличие от них отлично работающий. Главная его особенность в том, что в качестве замедлителя и теплоносителя CANDU использует тяжелую воду, а обогащенный уран ему вообще не требуется — он работает на очищенной от химических примесей природной окиси урана.

Тяжелая вода — ресурс недешевый, непростой и экологически небезопасный. Однако, благодаря исключению из ядерно-топливного цикла процесса разделения, канадцам удалось добиться вполне конкурентоспособной себестоимости энергии, отказаться от агрессивно-навязчивых услуг американских соседей и включиться в борьбу за мировой рынок атомной энергетики.

К началу 90-х гг. они смогли продать с десяток энергоблоков разной мощности в Индию, Аргентину, Южную Корею и даже социалистическую на тот момент Румынию, став при этом единственной страной, строившей АЭС за рубежом и не имеющей при этом собственного ядерного оружия.

Вскоре, однако, выяснился один нюанс: из отработанного топлива CANDU относительно несложными радиохимическими методами можно извлечь... оружейный плутоний (Pu-239). Вообще то, что в Канаде называют "самобытной национальной технологией", в остальном мире называется "реактор-наработчик оружейных материалов". И в этой роли CANDU по-настоящему хорош. Блестящим подтверждением этого стали испытания первой индийской ядерной бомбы 18 мая 1974 года, когда мир узрел "Улыбающегося Будду".

Внезапно прозревшие канадцы тут же торжественно отказались от дальнейшего сотрудничества, но индийских атомщиков это не смутило — контракт предусматривал передачу всей технологии. Лишь благодаря совместным советско-американским усилиям остальные клиенты канадцев так и не решились обзавестись собственным ядерным оружием.

К слову, история эта говорит еще и о том, что далеко не все страны, десятками лет голосующие за ядерное разоружение и безопасный мир, безобидны. В случае реальной опасности подчеркнуто миролюбивая Канада может за пару лет обзавестись парой сотен работоспособных зарядов тактической мощности.

CANDU-791, запущенная в 1977 году | Фото: Wikimedia

Кадры тестов Porkhan-II

VI. Чудо, которого чудом не случилось

В середине 60-х, после того как Гернот Циппе доказал выгоду применения технологии центрифужного разделения, в США стартовал мегапроект по созданию самой большой, длинной и толстой Великой Американской Центрифуги, ослепительный взлет и бесславное падение которого до сих пор наводят ужас на атомные стартапы по всему миру.

Американская атомная энергетика в те времена пребывала в зените могущества: в строю находились три колоссальных разделительных завода, еще один, электромагнитный, был "на подхвате", правительство с готовностью вкладывало в отрасль любые деньги. Так же выглядели и смежные области науки и техники, хай-тек в США был невероятно популярен и ежедневно приносил зримые плоды.

Работы по проекту поручили консорциуму под управлением корпорации Boeing, всего за пять лет было построено несколько тысяч (!) экспериментальных центрифуг разных типов. В 1970 году был готов первый предпромышленный образец — башня высотой в 15 и диаметром в 1 метр, ротор которой вращался со скоростью до сорока тысяч оборотов в минуту. По производительности Великая американская центрифуга превосходила любые советские и европейские аналоги в десятки раз.

Опытный каскад из нескольких сотен центрифуг показал такую феноменальную эффективность в плане энергопотребления на килограмм обогащенного урана, что президент Картер, ознакомившись с темой в 1975 году, потребовал немедленно приступить к строительству полномасштабного завода в штате Огайо. Если бы эти планы стали реальностью, никакого "Росатома" на международном рынке сейчас бы не было. Что было бы с URENCO, тоже вопрос.

Однако жизнь внесла свои коррективы: 28 марта 1979 года на расположенной в штате Пенсильвания АЭС Три-Майл-Айленд (Three Mile Island) произошла крупнейшая за всю историю американской атомной энергетики авария: из-за не выявленной вовремя утечки теплоносителя расплавилась активная зона реактора, что привело к тяжелому радиоактивному загрязнению помещений АЭС. Несмотря на то, что серьезных радиационных последствий для населения и окружающей среды удалось избежать, авария имела катастрофические последствия для американской атомной отрасли. С 1979 по 2012 год американское правительство не выдало ни одной (!) новой лицензии на строительство АЭС, а ввод в строй 71 ранее запланированной станции был отменен.

Новая отрасль промышленности на глазах умирала, так и не родившись: летом 1985 года правительство потребовало закрыть центрифужный проект. С огромным трудом кураторы продавили решение о консервации имевшихся наработок вместо утилизации.

Таким образом к началу 90-х американская атомная промышленность оказалась в довольно странном положении: крупнейший в мире парк АЭС, крупнейший рынок низкообогащенного урана, крупнейший и самый неэффективный в мире разделительный комплекс.

Великая американская центрифуга | Фото: Centrus Energy

Закрытие центрифуги в Пинкертоне | Фото: USEC

Закрытие центрифуги в Пинкертоне | Фото: USEC