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苏联核裂变材料的生产与核计划的实施(1945-1949)
2020年01月19日 09:21 来源:《史学集刊》2019年第3期 作者:张文华 字号

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  内容提要:核裂变材料主要包括钚-239和铀-235。生产钚-239主要有铀-石墨反应堆和铀-重水反应堆两种方式,生产铀-235主要有气体扩散法、电磁法和离心法三种方法。1945-1949年间,苏联建成了A铀-石墨反应堆和OK-180铀-重水反应堆的817综合厂、813气体扩散厂和814电磁厂。817综合厂为1949年试爆的第一颗钚弹提供了钚装料,813厂和814厂共同为1951年试爆的第一颗铀弹提供了铀装料。苏联核裂变材料实现工业生产离不开国内科学家自身的努力,也离不开政府给予的资金、技术、人才和物资等全方位的支持;在上述因素共同作用下,苏联以最快的速度实现了核裂变材料的工业生产,打破了美国的核垄断,具有重要的军事和战略意义。

  关 键 词:核裂变材料/乌拉尔地区/核工业/核计划

  基金项目:国家社会科学基金重大项目“苏联核计划档案文献资料翻译整理研究”(15ZDB064)。

  作者简介:张文华,吉林大学东北亚研究院博士研究生;张广翔,历史学博士,吉林大学东北亚研究院教授,研究方向为俄国经济史和社会史。

  

   

   1945年7月16日,美国试爆了世界上第一颗原子弹并用于战争,苏联为了拥有与其争霸世界的军事资本,也必须尽快拥有自己的核武器。但对于刚经历战争摧残的苏联来说,核武器的研制是一项十分复杂的任务,其中难度最大的环节便是核裂变材料的生产。美国氢弹之父爱德华·泰勒曾说,“生产核裂变材料是研制原子弹过程中技术难度最大的环节,一旦这个环节被攻克,那之后用几个月的时间就可以制造出原子弹”。①事实亦是如此,1945年8月20日斯大林签署《国防委员会专门委员会》第9887cc/оп号密令,苏联全面启动核计划。1949年4月15日原子弹的设计单位第十一设计院完成了第一颗原子弹的结构设计任务,但它的试爆却是在1949年8月9日817综合厂交付钚材料的三周之后,即8月29日实现的。

  核裂变材料有钚-239和铀-235两种,由于苏联第一颗原子弹使用的核裂变材料是钚-239,所以国内外学界更关注苏联钚-239的生产,而忽视了铀-235的生产。事实上,为了尽快打破美国的核垄断,最大限度地缩短研制原子弹的时间,苏联采取了钚弹和铀弹两种方案的原子弹同时研发的策略,因此,钚-239和铀-235的研发和生产工作也是同步进行的。

  生产核裂变材料是苏联时期核工业部门最重要的任务之一,主要在乌拉尔地区进行。乌拉尔地区作为核裂变材料最重要的生产基地,成为俄罗斯史学家研究区域性核计划实施情况的重要对象。一是研究其核工业发展史,②将其分为起步、完善和成熟三个历史阶段。二是研究其核工业发展政策,将核工业的发展视为苏联历史上的第一个全民计划,而乌拉尔地区是动员型经济发展模式成功的典型。③三是研究其核工业发展产生的社会生态影响。④四是研究其核工业的重要分布地,即核保密城市的政治、经济、文化和社会生活,乃至居民社会心理的变化。⑤随着俄罗斯档案文献的陆续解密,国内史学界也开始依据解密的档案,梳理苏联核工业发展的历史概况、探究其发展政策。⑥总体来看,国内外史学界关于核问题的研究更多的是基于宏观视角,本文从核裂变材料的生产这一微观视角出发研究苏联核计划,在学界尚属首次。笔者根据俄罗斯最新解密的档案,⑦梳理了苏联为生产核裂变材料所进行的试验研发、核工程的建设,以及具体的工业生产情况,分析这一过程中遇到的难题及其解决方案,厘清了苏联科学家在核裂变材料工业生产中的科技贡献,以及苏联政府给予的行政支持,揭示了核裂变材料实现工业生产的重要军事和战略意义。

  一、核裂变材料生产的试验研发

  利用反应堆生产钚-239的方案有:铀-石墨反应堆(简称“石墨堆”)、铀-重水反应堆(简称“重水堆”)和铀-普通水反应堆。技术咨询机构科学技术委员会认为,前两套方案最有发展前途。生产铀-235的方法有:气体扩散法、电磁法和离心法。苏联科学家比较倾向于离心法,但是从美国获得的核情报显示气体扩散法更为有效。

  1.钚-239的试验研发

  石墨堆和重水堆是当时苏联科学界公认最有工业发展前途的方法。相较于石墨堆,重水堆的研发和投产之路更为曲折。一是因为苏联缺少试验所必需的重水;二是最初Ю.Б.哈里顿和П.М.泽利多维奇在模拟数据的基础上,论证重水堆工作原理的合理性,得出的结论是不合理,不能发生链式反应。后来,依据英美的核情报,И.В.库尔恰托夫重新评估了重水堆的发展前景,认识到了它的可行性。但由于生产重水的技术难度较大,再加上重水堆的物理装置更为复杂,所以重水堆的研发进度远远落后于石墨堆。

  (1)实验石墨堆-Ф-1

  1944-1945年间第二实验室成立第一研究实验室,负责石墨堆的相关研究工作,主任是И.В.库尔恰托夫,副主任И.С.帕纳修克。此外,镭研究所(В.Г.赫洛平任所长)协助研究从辐照铀中分离钚的工业技术,物理化学研究所(А.Н.弗鲁姆金任所长)协助研究钚的物理性质。

  石墨堆的核燃料是核纯度金属铀⑧,它由埃列克特罗斯塔利市的12厂供应,Ф-1装载了45吨金属铀。⑨工程材料高纯度石墨由莫斯科电解厂、523厂提供,截至1947年10月22日,石墨的总产量达1237.5吨,⑩基本满足了建设需要。1946年7月Ф-1开始建设,11月15日开始组装石墨和金属铀,12月25日18时,Ф-1达到临界状态,这是苏联乃至整个欧亚大陆第一次实现了链式反应。

  Ф-1对工业反应堆的建设和运行非常重要。首先,通过它获得了第一批钚样品。1947年8月,И.В.库尔恰托夫及其同事借助Ф-1获得了重量为6.1微克和17.3微克的钚样品,(11)借助它们科学家得以研究钚的物理和化学性质。其次,明确了反应堆堆芯和工程材料的尺寸、大小等物理参数。如,金属铀棒的直径可以是30毫米、35毫米和40毫米不等;石墨砌块的大小是100×100×600毫米;工艺管道之间的距离不超过200毫米;反应堆正方形栅格之间的间距是200毫米。(12)最后,检测了金属铀及其铝合金外壳、铝制管线和其他材料的性能。

  (2)实验重水堆-7号装置

  重水问题最初由П.Л.卡皮察负责,后来由于政治原因,改由М.И.科恩菲尔德负责。1944年,第二实验室成立第四研究实验室,专门研究重水问题,仍由М.И.科恩菲尔德领导。此外,第九科学研究所的德国科学家福尔默和多佩里也同步进行相关研究工作,他们的工作进展缓慢。于是1945年12月1日在莫斯科市切列姆申科区新建了第三实验室,学术负责人是А.И.阿里汉诺夫,助手是В.В.弗拉基米尔斯基。(13)第三实验室与第二实验室是平行的独立机构,它的成立强化了对重水的研究。此外,包括化学工业人民委员会(部)(14)下属氮工业国家研究所在内的56家科研机构和设计单位协助研究。

  重水堆的建设需要核纯度重水,而自然界中重水和轻水的比例是1∶6800,因此,分离重水是一项技术难度非常大的任务。苏联先后采用了同位素交换法、电解法生产重水。1946-1948年间重水生产厂有奇尔奇克电化综合厂、莫斯科电解厂,总产量分别为106.46千克、2462.98千克和3942.6千克;(15)后来增加了第聂伯罗捷尔任斯克氮肥厂、戈尔洛夫卡氮肥厂和别列兹尼基氮肥厂,1949年、1950年的总产量分别为10684.4千克、17502.5千克。(16)

  1948年7号装置开始建设,1949年4月建成并投入使用。7号装置装载的金属铀为1.5吨,(17)是Ф-1的1/30。它对工业反应堆的建设和运行也非常重要。首先,通过假设工艺管道中装载的铀棒直径为22毫米,在此基础上经过反复试验测试,最终明确了反应堆堆芯的尺寸。其次,明确了反应堆装载的物理参数,初步确定产生链式反应需要4吨重水、2.5吨金属铀,以及50吨石墨用作中子慢化剂。(18)最后,初步计算了工业反应堆的运行功率。在此基础上,817综合厂第一座工业重水堆ОК-180得以完善。

  2.铀-235的试验研发

  分离铀同位素的方法有气体扩散法、离心法和电磁法等,最初苏联科学家更倾向于离心法,认为扩散法不适合重质元素。但从美国获得的相关核情报促使国防委员会于1943年8月16日制定了研发气体扩散装置的计划,1944年苏联又从美国物理学家恩斯特·劳伦斯那里获知关于电磁法的信息。此后,苏联在分离铀同位素方面,以气体扩散技术为主,电磁法为辅,两者同时进行。

  (1)气体扩散法

  1943年,第二实验室便开始研究在气态下分离同位素的可能性。1944年,第二实验室成立第二研究实验室,专门负责研究气体扩散法,学术负责人是苏联科学院通讯院士И.К.基科因,气体扩散装置的研发工作由列宁格勒加里宁工学院水力机械系主任И.Н.沃兹涅先斯基负责,计算和理论工作由数学家С.Л.索波列夫负责,苏联科学院物理化学研究所、无机化学研究所、化学物理研究所、А研究所、Г研究所、В实验室和Б实验室等机构共同协作。

  气体扩散法实现工业生产需要解决以下问题:第一,真空技术。气体扩散装置的工作气体六氟化铀的化学性质活泼,极易腐蚀设备材料及发生氟化反应生成四氟化铀粉末,因此,需要真空封闭技术,保障工作气体不泄露,这项技术难题最终被真空技术研究所攻克。第二,多孔隔板。气体扩散法主要是利用六氟化铀的轻质分子(铀-235)和重质分子(铀-238)的运动速度不同进行分离。通过一台扩散机的多孔隔板,铀-235的浓度增幅不超过0.2%,随着浓度的增加,浓度的增速减缓,而核武器对铀-235的浓度要求是94%,这意味着工作气体六氟化铀需数千次通过多孔隔板。自1946年开始,先后有16家企业竞标多孔隔板,最终是莫斯科硬质合金公司和第二实验室的合作方案中标。第三,电能。气体扩散装置对电能的消耗巨大,1千克武器级铀(19)所消耗的电能约是60万千瓦·时,因此需要新建大型发电站。

  气体扩散法实现工业生产最重要的环节是研制出合格的扩散机。它的研发工作由苏联工业的龙头企业基洛夫厂和高尔基厂负责,为了完成这一任务,这两家工厂分别成立了专门设计院。И.Н.沃兹涅先斯基认为,苏联不应像美国那样研制单级扩散机,而应研制多级扩散机,这样可以减少组合单元。1946年基洛夫厂根据其方案设计24级多级扩散机,但惨遭失败。1947年6月核工业的管理机构第一管理总局就此召开全体会议,И.Н.沃兹涅先斯基受到严厉批评。基洛夫厂专门设计院首席设计师Э.С.阿尔金被降职,由Н.М.西涅夫接任。同时,政府加强了技术研发力度,要求高尔基厂专门设计院参与研发。在两家工厂竞争的情况下,高尔基厂设计的ОК系列扩散机通过了第二实验室的检测,于是扩散机第一阶段的研发任务交给高尔基厂负责,基洛夫厂协助零部件的生产与设计,但基洛夫厂自身并没有放弃研发工作。在1946-1952年间这两家工厂共研发了40多种扩散机,有17种通过检测,其中基洛夫厂9种,高尔基厂8种。(20)1947年底,它们完成了扩散机的加速生产任务。1948年初,扩散机被络绎不绝地送抵813厂。

  (2)电磁法

  电磁法最初由И.Ф.约飞负责,后被Л.А.阿尔济莫维奇取代。1944年,第二实验室成立第五研究实验室,专门负责研究电磁法,仍由Л.А.阿尔济莫维奇领导。苏联科学院乌拉尔分院的电波现象实验室及位于苏呼米市的德国科学家协助研究。

  电磁装置由列宁格勒电力生产厂专门设计院和中央真空实验室负责设计,总设计师是Д.В.叶菲莫夫,它们设计的电磁装置总重量为6000吨,镭研究所的回旋加速器磁体的重量只有几吨,第二实验室的磁体重量为75吨,而814厂的重量是它们的80倍以上,这是当时苏联的技术条件和资源供应能力所造成的。

  总之,钚-239和铀-235的实验研发是同步进行的。生产钚-239以石墨堆为主,同时还研究了重水堆;生产铀-235以气体扩散法为主,电磁法为辅。第二实验室是生产核裂变材料的理论研究中心,科学院系统和各部委所属的其他科研单位辅助核反应堆生产工艺、同位素分离法和核裂变材料属性等问题的技术攻关。

作者简介

姓名:张文华 工作单位:

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