Добыча урана в промышленных масштабах

До начала атомной эры уран не имел стратегического зна-чения. Его применяли как добавку в керамических производствах и ряде второстепенных процессов. В 1939 г. самыми известными и разработанными были залежи в Бельгийском Конго. Фактиче-ски это был единственный источник значительных объемов урана в мире. Широкую известность приобрело письмо А. Эйнштейна Рузвельту, в котором говорилось о важности и опасности по-следствий экспериментов в области изучения ядра. Менее из-вестна та часть письма, в которой учёный предлагал наложить вето на добычу урана в Конго или хотя бы ограничить добычу и организовать строгий контроль использования руды. До сих пор засекречена большая часть дипломатических документов Вели-кобритании, относящихся к попыткам британского правительства приобрести монопольное право на закупку руды.

В России быстрыми темпами шло освоение известных и разведка новых месторождений урана. Обе задачи были отнесены к стратегическим и секретным.

Для реализации управляемой ядерной реакции была необ-ходима тяжёлая вода. Весь мировой запас тяжёлой воды был вы-везен из Норвегии, доставлен в Париж, а затем в Кембридж лишь за 3 недели до захвата Норвегии фашистами. Операция носила секретный характер. Было очевидно, что открывающиеся пер-спективы использования атомной энергии важны, поэтому они обсуждались и решались на уровне правительств. Следующий запас тяжёлой воды, достаточный для проведения исследований по делению ядер урана, немцы могли бы получить только через несколько лет.

Критическая масса

Одной из важных задач для учёных являлось определе-ние критической массы. В куске урана может начаться реакция, но она не станет цепной, если количество высвобождающихся нейтронов не будет больше, чем количество нейтронов, погло-щаемых ядрами урана и уходящих из куска без захвата ядром. Если масса мала, то появившиеся дополнительные нейтроны выйдут наружу, не успев столкнуться с новыми ядрами и вызвать их расщепление. Если высвободившиеся нейтроны будут слиш-ком быстрыми, то они также не смогут успеть вступить во взаи-модействие с ядрами урана. Значит необходимо такое количество урановой руды, содержащей «правильный» изотоп, чтобы выде-лившиеся нейтроны, несколько раз срикошетив от соседних ядер и уменьшив свою энергию, будучи захваченными ядрами урана -235, смогли бы вызвать деление ядра и испускание других ней-тронов. В куске урановой руды всегда протекают самопроизволь-ные деления ядер в количестве, достаточном для начала цепной реакции, т.е. существует некоторая минимальная масса (критиче-ская масса), при превышении которой реакция начнётся. Понятие критической массы появилось сразу, в процессе создания теории деления ядер. В противном случае, по мере накопления массы нужного изотопа урана критическая масса была бы достигнута случайно в ходе какого-либо эксперимента, и атомный взрыв произошёл бы в исследовательской лаборатории. В рабочем по-рядке стало понятно, как технически осуществить атомный взрыв. Для этого необходимо было быстро соединить две массы чуть меньшие критической, сумма которых окажется больше критической массы. В момент соединения начнётся быстро про-текающая цепная реакция взрывообразного характера.

Создание циклотрона

Встал вопрос о получении больших количеств изотопа урана «235». Химическими способами разделить изотопы урана в принципе нельзя. Необходимы физические способы разделения. Изотопы отличаются только массой, но не зарядом. Для лёгких элементов разница масс изотопов заметна. А для изотопов урана массы изотопов не сильно отличались друг от друга, поэтому разделение изотопов представляло собой определённые техниче-ские трудности. Примером может служить водород: изотоп водо-рода содержит в ядре только один протон; изотоп водорода - дейтерий – содержит в ядре один протон и один нейтрон, т.е. масса ядра вдвое больше; изотоп водорода - тритий – со-держит в ядре один протон и два нейтрона, т.е. его масса уже в три раза больше. Но у тяжёлых элементов разница масс, обуслов-ленная несколькими нейтронами, в процентном отношении очень мала. Таким образом, если разделение лёгких элементов в масс-спектрографе ещё возможно, то для тяжёлых элементов оно ста-новится невозможным. Но даже для лёгких элементов разделение с помощью масс-спектрографа не эффективно, поскольку за су-тки можно набрать только доли грамма элемента, а требовались килограммы. Эффективным оказался метод разделения изотопов в циклотроне, изобретённом Э. Лоуренсом в США в 1931 г. Идея линейного ускорителя с бегущей волной впервые была высказана еще в 1924 г. шведским конструктором Г. Изингом. В методику разделения внёс большой вклад Р. Оппенгеймер, который пред-ложил ряд технических решений, позволивших усовершенство-вать метод и сэкономить большие средства. Для целей разделения изотопов был сконструирован калютрон (циклотрон Калифор-нийского университета).

Работу по сооружению циклотрона в Великобритании возглавлял Чедвик. Он учился под руководством Э. Резерфорда в Манчестерском университете, в 1913 г. получил специальную стипендию и был направлен в Физико-технический государственный институт в Шарлоттенбурге под Берлином в группу Г. Гейгера. После начала Первой мировой войны попал в лагерь для гражданских пленных в Рюхлебене, где ему и небольшой группе учёных позволили организовать лабораторию и проводить некоторые работы. После окончания войны Дж. Чедвик начал работать в Кавендишской лаборатории у Резерфорда, где в 1932 г. экспериментально открыл нейтрон. В 1935 г. Дж. Чедвик перешёл из Кембриджа в Ливерпуль, где осуществлял научное руководство проектом строительства британского циклотрона.

Первый советский циклотрон был построен в Радиевом институте (РИАН) в 1937 г.

На фоне современных гигантских ускорителей частиц циклотроны выглядят миниатюрными компактными лабораториями. Однако их значение велико, поскольку только с их помощью могут быть получены так называемые нейтронно-дефицитные изотопы. Препараты с циклотронными изотопами отличаются высокой удельной активностью и химической чистотой, они активно используются также и в медико-биологических исследованиях.

Первый отечественный циклотрон был построен после войны. Основой для создания серии классических циклотронов послужило создание в 1951 г. циклотрона Р-7. Циклотроны этого типа были построены и введены в эксплуатацию в 1957 г. в МГУ и в 1959 г. в Томском политехническом институте. Они позволяли получить ускоренные протоны с энергией 20 МэВ.

В дальнейшем в НИИЭФА им. Д.В. Ефремова были разработаны проекты циклотронов серии "У" с диаметром полюсов магнитов 120, 150, 240 и 310 см. Первая серия циклотронов У-120 предназначалась для поставки на экспорт. Первый циклотрон У-120 полностью смонтирован в производственных цехах Ижорского завода в Ленинграде в 1956 г. и предназначался для Китая.

Сегодня циклотроны НИИЭФА успешно эксплуатируются во многих городах страны и мира. Циклотрон типа У-240 смонтирован в Киевском институте ядерных исследований, а циклотрон с диаметром полюсов 310 см, предназначенный для работ по синтезу трансурановых элементов, установлен в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований. Энергия ускоренных на нем ионов аргона достигает 300 МэВ. Максимальная энергия, достижимая в современном изохронном циклотроне, составляет по протонам 1 ГэВ.

В 1969-1970 гг. в СССР был разработан малогабаритный изохронный циклотрон МГЦ-20, который предназначался в основном для исследований в области ядерной физики, активационного анализа и производства радионуклидов. Всего было построено семь таких циклотронов, из них три поставлены за рубеж. Наряду с работами по синтезу трансурановых элементов (элементов с зарядовыми числами, большими, чем у урана и расположенными в периодической системе за ураном) велись работы по производству радионуклидов для медицинских целей. В настоящее время для производства радионуклидов медицинского применения в НИИЭФА разработаны и изготавливаются изохронные циклотроны типа РИЦ-10, РИЦ-14 и РИЦ-15.

Ускорители электронов широко используются для медицинских целей. Первые советские линейные ускорители электронов (ЛУЭ) были разработаны в НИИЭФА в конце 1950-х гг. и предназначались для физических исследований. Установки на 400 МэВ и 2 ГэВ были смонтированы на Украине в Харьковском физико-техническом институте. Почти одновременно с этими ускорителями в институте началась разработка линейных ускорителей для лучевой терапии на энергию 5 и 25 МэВ. Линейные ускорители сравнительно просты в эксплуатации. В них ничтожно малые потери энергии электронов на излучение. В 1980 г. НИИ-ЭФА начал поставлять в клиники ускорители второго поколения с максимальной энергией электронов 18,5 МэВ, которые предназначались как для электронной, так и для фотонной терапии. В 1990 г. специалистами института создан опытный образец компьютерного ускорителя третьего поколения ЛУЭР-20МТ для лучевой терапии, а в 1991 г. начаты работы по созданию рентгеновского компьютерного томографа-симулятора для предлучевой подготовки больных.