История ракетно-ядерной гонки США и СССР

Это приблизительные оценки – на процесс разделения влияли массы молекул, а не атомов урана. Важным свойством фтора, – 9-го элемента с массовым числом атома 19 являлось то, что он не имел изотопов, – поэтому его вклад в массы молекул фторидов для разных атомов фтора всегда одинаков. Поэтому массы молекул фторидов урана зависят только от масс изотопов урана. Газообразный шестифторид урана проходил через фильтр, и «лёгкая фракция» через фильтр поступала на следующую ступень разделения. А не прошедшая через фильтр «тяжёлая фракция» поступала назад, на вход предыдущей ступени. А на начальных ступенях – поступала в «отвал» обеднённой фракции, которая частично питала первые каскады вместе с исходным продуктом, а на выходе выбрасывала отработанный уран с малым содержанием изотопа-235 через «низовые» каскады с обеднённой фракцией. Машины работали при сверхзвуковых скоростях потоков газа, а скорость звука в гексафториде при небольших плотностях газа порядка 1–40 мм рт. ст. была около 80 м в с.

Схема последовательного соединения машин для разделения является такой:

Схема соединения ступеней разделения в каскаде

Схема эффективно могла работать только при наличии ряда условий. Часть продукта должна была возвращаться назад, – с начала следующего каскада на вход предыдущего (а полная прокачка продукта через фильтр не могла привести к разделению изотопов по закону сохранения вещества). Откачка обогащённого продукта ведётся компрессором «половинного» расхода, а закачка продукта в машину – компрессором «полного расхода».

Ступень разделения

Ясно, что по мере обогащения количество рабочего газа должно было существенно уменьшаться, а концентрация урана-235 в нём – увеличиваться. Объединение машин в каскады производилось для того, чтобы реализовать схему обогащения, близкую к расчётной оптимальной схеме. Эти схемы выглядят так:

Схема каскадов для машин: однотипные машины в горизонтальных рядах каскадов и машины разной производительности в разных каскадах по вертикали (49 разделительных элементов в низовых ступенях и 93 в верхних ступенях – всего 142)

Трубчатый фильтр (пористая перегородка газодиффузионной машины)

Ряды каскадов подключали параллельно – обычно они состояли из однотипных машин, а машины других типов подключали в более высоких рядах каскадов.

По мере обогащения количество машин в каскадах уменьшалось, и уменьшалась мощность этих машин, – для оконечных каскадов использовались небольшие машины, которые легче было сделать более производительными и надёжными. Для удаления «отвала» из обеднённого урана с концентрацией урана-235 в 0,2–0,3 % в противоточных каскадах машин применяются «нижние» каскады. Простой расчёт показывает (через логарифмы величин), что для уменьшения концентрации до таких уровней требуется соответственно 632 и 432 ступеней (данные с примерными оценками для обогащения в минус до 0,2 % и 0,3 %):

0,002/0,00711 = 0,2813; 1,002^-642 = ≈ 0,2813;

0,003/0,00711 = 0,4219; 1,002^-432 = ≈ 0,4219.

В 1948 году газодиффузионные машины были спроектированы, стали производиться, и их начали монтировать и запускать на заводе Д-1. С самого начала жёстко стояла проблема защиты внутренних полостей машин от коррозии, поскольку шестифторид урана является химически активным газом. Для защиты от его воздействия все внутренние полости машин и детали патрубков и компрессоров делали никелированными, – изнутри они сверкали никелем, причём их поверхности были отполированы до 11 класса. Такая обработка позволяла максимально уменьшить поверхность контакта с агрессивным газом. Поверхности покрывали слоем меди, а затем слоем никеля и тщательно шлифовали, – над этим трудились десятки шлифовщиков. Но все проблемы коррозии сразу решить не удалось – на части внутренних деталей двигателей компрессоров позже обнаружились значительные осаждения четырёхфторида урана, которые разрушали отдельные внутренние агрегаты.

На стр. 59 книги [45] сообщается, что доклад Пайерлса-Фриша от лорда Хэнки попал через Кэрнкросса в разведцентр на Лубянке в Москве быстрее, чем к главным адресатам – военному министру Великобритании, Черчиллю и Рузвельту. В этом докладе было очень важное сообщение о том, что шестифторид урана разрушает известные смазочные материалы (СМ) – и потому для работы в его среде требуется разработка новых СМ, а также то, что в присутствии воды он разлагается и оказывает очень сильное коррозионное воздействие на оборудование. Вот эти данные или не попали прямо к разработчикам первых советских газодиффузионных машин, либо не были учтены ими на начальном этапе работ. И из-за этого возникли серьёзные технические проблемы при пуске первых каскадов газодиффузинных машин. Экспериментальные образцы, вроде, работали нормально короткое время, но вот при длительной работе коррозионные особенности рабочего вещества стали сказываться, а эффекты разложения газа в тетрафторид урана от водяных паров и разрушения деталей возникли уже после первых десятков часов работы машин.