Об участии ЧЭХК в советском атомном проекте История

Владимир Карышев

80 лет назад вдали от фронтов великой войны, в глубоком среднеазиатском тылу, в молодом промышленном городке Чирчик, которому исполнилось всего 10 лет, жизнь текла по главному для того времени руслу: всё для фронта, всё для победы. На заводах производили оружие и боеприпасы, на полигонах учили танкистов и лётчиков, военкоматы призывали и отправляли в войска пополнение.

И в то же время думали о будущем, работали на будущее. Например, «Чирчиксельмаш» наряду с выпуском военной, начинал производство мирной продукции, освоил выпуск запасных частей к сельскохозяйственным машинам, а затем — машин для хлопководства. В мае 1944 года в Чирчике открылся химико-механический техникум для подготовки и обучения кадров, в основном для Электрохимкомбината – флагмана химической индустрии страны. Позднее он был преобразован в индустриальный техникум, о здании которого была недавно публикация на страницах «Писем о Ташкенте».

А на самом комбинате, регулярно осваивавшем новые виды продукции, в 1944 году под руководством учёных и инженеров из лаборатории И.В. Курчатова готовились оборудование и кадры для производства тяжелой воды. О том, как и почему именно ЧЭХК стал ведущим предприятием по изготовлению этого стратегического вещества — в предлагаемых отрывках из статьи Бориса Горобца

«Братья Н.И. и И.И. Гельперины в решении проблемы производства тяжелой воды»

В нашей стране первую тяжелую воду получил в 1934 г. А.И. Бродский на лабораторной установке в Московском химико-технологическом институте. Как сообщается в книге «Развитие химической промышленности СССР», еще в 1940 ─ 1941 гг. «инженер Леонид Маркович Якименко разработал для научных целей установку для получения тяжелой воды методом электролиза водных растворов. Установка была изготовлена и смонтирована на опытном производстве ЧЭХК и могла давать не более 8 кг тяжелой воды в год».

<…..>

Для того чтобы понять основную технологическую схему, принятую в СССР для получения тяжелой воды, <…> обратимся к первоисточнику. Еще до создания ПГУ, 3 августа 1943 г. М.О. Корнфельд направил И.В. Курчатову письмо, которое последний тут же переслал М.Г. Первухину, наркому химической промышленности СССР, руководившему от правительства с конца 1942 по август 1945 г. всеми ядерными работами в стране.

Целесообразно привести отрывки из этого письма, потому что в нем просто и ясно сформулированы исходные научная и хозяйственная позиции по проблеме производства тяжелой воды и обоснованы конкретные причины выбора в качестве основного производителя тяжелой воды Чирчикского комбината (ЧЭХК, одним из руководителей которого был в эти годы Л.А. Костандов). Кроме того, принципиальная схема описанной технологии предварительного обогащения воды дейтерием была в скором времени принята на всех 11 заводах и комбинатах страны, где применялся электролитический метод.

«Для работ, проводимых в Лаборатории, необходимо располагать 100─150 литрами тяжелой воды в ближайшее время и производственной базой, изготовляющей около 3 литров тяжелой воды в сутки, в дальнейшем. В настоящей записке указывается путь решения этой задачи.

Содержание дейтерия в обыкновенной воде составляет примерно 0,02%. Предварительное обогащение до приблизительно 2% содержания дейтерия, несомненно, наиболее выгодно производить методом электролиза на базе существующих электролизных заводов, производящих водород (Москва, Чирчик), без каких-либо существенных изменений их технологического процесса.

Последующее обогащение от 1─2 до 98─99% может производиться либо тем же методом электролиза (однако со значительным переоборудованием и изменением режима заводов), либо же методом дистилляции в специально построенных для этой цели ректификационных колоннах. Не обладая необходимыми данными для проектирования электролизных установок для последующей стадии обогащения, мы наметим пока производственную схему, в которой предварительное обогащение осуществляется методом электролиза, а последующее ─ методом дистилляции.

Обогащение электролита дейтерием обусловлено тем, что в результате электролиза происходит преимущественное выделение легкого водорода, в то время как дейтерий остается в электролите. В электролизерах непрерывного действия по истечении некоторого промежутка времени устанавливается равновесное содержание дейтерия, отвечающее обогащению примерно в 5 раз. Время, необходимое для достижения этого обогащения, равно тому времени, в течение которого количество воды, поступающей в электролизёр, примерно в 3 раза превысит емкость электролизера.

Электролизеры, применяемые на Московском и Чирчикском заводах, обладают емкостью около 40 куб. метров, а количество воды, поступающей в электролизёр, равно примерно 6─7 куб. метрам в сутки. Таким образом, для достижения равновесного состояния необходимо время порядка 20 дней. <…>

Для достижения концентрации дейтерия порядка 1─2% необходимо троекратное повторение процесса обогащения. Ставить такую задачу перед Московским заводом, располагающим только двумя электролизерами, нецелесообразно, так как в этом случае производство необходимых количеств обогащенной воды потребует слишком большого времени. Несравненно быстрее эта задача может быть решена Чирчикским заводом, располагающим 6 электролизерами.

<……>

Прошел год с небольшим. Как и было намечено, за это время велись работы по организации производства тяжелой воды в первую очередь в Чирчике. О сдвигах за истекшее время М.И. Корнфельд и Д.М. Самойлович докладывают И.В. Курчатову.

10 ноября 1944 г.
Чирчик

Дорогой Игорь Васильевич!

Приветствуем Вас из солнечного Узбекистана ─ уже пятый день идет дождь, усердно месим чирчикскую грязь и глину.

Организация лаборатории1) продвигается успешно, хотя и несколько медленно. Штат лаборатории практически укомплектован и завтра будет решен вопрос о начальнике лаборатории.

Оборудование лаборатории, за исключением перегонных аппаратов, готово. С аппаратами плохо из-за нехватки стекла, о чем мы уже Вам телеграфировали. Задерживает также ремонт пола.

Несмотря на все эти трудности, рассчитываем пустить лабораторию двадцатого ноября.

Начали вести измерения потерь. Предварительные опыты показывают, что потери весьма велики, чем и объясняются наблюдавшиеся нами низкие значения обогащения.

С понедельника приступаем к обучению лабораторных кадров, а с двадцатого ─ к чтению лекций для руководящих работников цеха и центральной лаборатории (всего пять человек).

Строительство развивается весьма успешно. К двадцать пятому ноября будут пущены и испытаны третья и четвертая ступени первой стадии, а к пятому декабря ─ все ступени второй стадии (рекомбинационной).

Таким образом, все основные пусковые испытания будут проходить в конце ноября и в первой половине декабря.

Раньше этого времени нам, вероятно, уехать не удастся.

<…>

Желаем Вам всего хорошего, привет всем. М. Корнфельд, Д. Самойлович

Примечания из сборника «Атомный проект СССР»:

1) Речь идет о создании на ЧЭХК лаборатории по контролю за качеством тяжелой воды.
«Несколько медленное», как сказано в письме, продвижение работ, объясняется тем, что в это время еще продолжался начальный период атомных исследований в СССР; в нем принимало участие всего порядка нескольких сотен людей. Этот этап закончился сразу после американских атомных бомбардировок Японии. Созданные 20 августа 1945 г. Спецкомитет при ГКО СССР и ПГУ (с функциями министерства) при Совмине СССР привлекли к программе создания советского атомного оружия более двухсот тысяч человек в десятках научных, производственных и строительных организациях по всей стране. Начался форсированный этап Атомного проекта СССР. Через четыре месяца на имя И.В. Сталина направляется обширный доклад ПГУ, подписанный его начальником Б.Л. Ванниковым и заместителем начальника М.Г. Первухиным. В нем освещается весь спектр разворачиваемых работ. В докладе есть и раздел, посвященный производству тяжелой воды, в котором сформулированы основные задачи и перечислены намеченные пути их решения. Приводим полностью текст раздела по тяжелой воде, так как без него вряд ли возможно четко представить себе основные задачи, их масштаб и места выполнения рабочей программы по данному направлению.

О состоянии работ по получению и использованию атомной энергии

17 января 1946 г.

Строго секретно (Особой важности)

<…>

Производство тяжелой воды (для котла «уран ─ тяжелая вода»)

Большие трудности встречает производство необходимых запасов (13─20 тонн) тяжелой воды. Пока единственным известным нам промышленным методом производства тяжелой воды является электролитический метод, применявшийся в Норвегии и опробованный нами в Чирчике.

Для создания мощности в 20 тонн тяжелой воды в год требуется в течение 1946 ─ первой половины 1948 г. построить ряд заводов, расширить мощности электростанций, изготовить в СССР или закупить за границей большое количество сложного оборудования.

1. Требуется изготовить за 2 года 248 электролизёров (в год у нас до сих пор производилось их 5 штук); специальных трансформаторов (IV габарита) мощностью в 930 тыс кВа (планируется на 1946─1947 гг. для нужд народного хозяйства ─ 2 млн кВа), а также изготовление турбин, котлов и значительного количества прочего оборудования в ущерб другим нуждам народного хозяйства.
2. Общая стоимость оборудования, строительства электролизных заводов и связанного с ним расширения электростанций составит около 1 миллиарда рублей.
3. Стоимость одной тонны тяжелой воды по этому методу исчисляется в 25─26,5 миллионов рублей, при условии неиспользования отходящих кислорода и водорода, и 3─3,5 миллиона рублей ─ при условии утилизации их.

Несмотря на сложность и дороговизну электролитического способа, является необходимым приступить к строительству заводов тяжелой воды по этому методу, проводя параллельно интенсивные изыскания других, более простых и дешевых способов.

В направлении производства тяжелой воды принимаются следующие меры:

В III квартале Наркомхимпромом построен и пущен на Чирчикском электрохимкомбинате первый цех получения тяжелой воды электролитическим методом. К настоящему времени цех выпустил первые 94 килограмма тяжелой воды 2% концентрации (в пересчете на тяжелую воду 100% концентрации).

Научно-техническим и Инженерно-техническим советами при Специальном комитете разработаны мероприятия, предусматривающие:

1. Строительство 11 цехов производства тяжелой воды, общей мощностью в 21,3 тонны в год электролитическим методом, в том числе:

в Чирчике — 3,6 тонны в год <….>

Важно подчеркнуть следующий принцип комплексной стратегии производства тяжелой воды, который был принят в СССР. Опыты показали, что на получение одного килограмма тяжелой воды электролизом обычной воды необходимы огромные мощности в сотни тысяч киловатт электроэнергии. Поэтому было решено, что тяжеловодный продукт должен быть побочным в основном производстве других продуктов химической промышленности, в первую очередь водорода для синтеза аммиака, а также кислорода, необходимого для металлургии. Первая установка для получения тяжелой воды электролизом обычной воды была пущена в октябре 1945 г. на ЧЭХК. С этого момента началась наработка тяжелой воды во всё больших объемах. По заданию Спецкомитета в начале 1946 г. было проведено усовершенствование пущенной установки, в результате ее производительность увеличилась более чем вдвое. Началось строительство семи новых цехов «Г» по получению гидроксилина (так условно именовались цеха электролиза и тяжелая вода). Цеха «Г» были созданы на азотно-туковых заводах в Днепродзержинске, Горловке, Березниках, Кировакане. Показателем эффективности процесса получения тяжелой воды была масса готового продукта (в граммах), отнесенная к затратам 1000 кВт.ч электроэнергии. Эти показатели были от 6,6 до 8,1 г., самый высокий из них ─ на ЧЭХК. Исследования, проведенные в 1946 г., показали, что «при сочетании метода электролиза с другими методами можно значительно сократить расход электроэнергии и резко увеличить производство тяжелой воды».

<……>
Герои этой главы, братья Н.И. и И.И. Гельперины, не оставили своих воспоминаний о работе по производству тяжелой воды. Причина понятна ─ все та же секретность и пожизненные подписки о неразглашении. Никто из них не дожил до момента, когда эти сведения стали рассекречиваться. И все же можно кое-что узнать об их работах косвенным путем, по редким воспоминаниям людей, которые были связаны с ними той же работой. К таковым относятся воспоминания академика А.П. Александрова, руководившего циклом работ по производству тяжелой воды методом ректификации в 1946─1955 гг. Недавно эти воспоминания были опубликованы. В них речь идет о разработке и освоении низкотемпературных процессов выделения дейтерия на ЧЭХК. На ЧЭХК бывал профессор Н.И. Гельперин, один из научных консультантов по проблеме получения дейтерия методом ректификации. В Чирчике немало месяцев проработал его брат И.И. Гельперин, инженер-криогенщик и химико-технолог, прикомандированный от ГИАПа к бригаде ученых, которая разрабатывала и внедряла на ЧЭХК низкотемпературную технологию глубокого обогащения тяжелой воды под общим научно-административным руководством А.П. Александрова. Вместе с ведущими сотрудниками Капицы и Александрова И.И. Гельперин был награжден за это Ленинской премией. Тем самым можно узнать кое-что о содержании работы последнего по рассказам Александрова.

Анатолий Петрович Александров (1903 — 1994)
«…А с водородом дальше развиваются такие события. У нас готов проект завода. Всё это привязано, значит, к Чирчику. Проект выполнен ГИАПом. А мы уже пустили эту большую установку. Мы уже получили сильно обогащенный по дейтерию водород. Мы разработали специальный тип ректификационной колонки для этого дела. Мы даже испытывали ее гидравлические характеристики, вот в этом бассейне, который там есть для охлаждения компрессоров. И разработали действительно отличные ректификационные колонны. <…> “Красный выборжец”, потом Тамбовский завод “Комсомолец” <…> начали работать на это дело. <…> В это время был назначен мой доклад по этому поводу на Совете в Первом главном управлении. Это был научно-технический совет <…>. Этот Совет был чрезвычайно, надо сказать, могущественным. Потому что его решения присылались тебе в виде выписки <…>, и ты, хоть сдохни, обязан был их выполнить. И это всем так. <…> Это было очень мощное учреждение. И вот там я, значит, стал докладывать относительно всего этого разделения. На меня набросились очень сильно по поводу того, что, вот, как мы можем гарантировать кампанию и так далее. Ну, надо сказать, что мы после этого Совета еще провели несколько серий опытов по взрыву кислорода в водороде. Была отмечена некоторая неполнота наших данных. Ну, и после этого уже был вынесен вопрос в правительство, вернее, к Берии, о строительстве завода».

<……>
Книга Н.И. Гельперина «Дистилляция и ректификация» являлась основным учебником по этому методу, она переиздавалась около десятка раз, и лидирующая роль в стране школы Гельперина по ректификационным процессам не вызывает сомнений. (Поясним неспециалистам: ректификацией называют процесс многократного повторения частичного испарения и конденсации жидкости, в результате чего достигается выделение из исходной бинарной смеси одного ее компонента в чистом виде.) Как уже говорилось в общем разделе по тяжелой воде, в применении к ее получению ректификация и дистилляция это основные способы доведения концентрации тяжелой воды до почти 100%, после того как электролизом получена вода с концентрацией 2% D2O. Об этом методе концентрирования тяжелой воды пишет и членкор АН СССР М.Г. Слинько в своей книге о Л.А. Костандове:

«Особенно следует отметить организацию производства тяжелой воды. На ЧЭХК были построены заводы для ее получения двумя методами: электролизом водных растворов в сочетании с изотопным обменом между водой и водородом и низкотемпературной ректификацией жидкого водорода. Первый метод требовал постройки каскада реакторов с большим числом обратных связей, был капиталоемким и трудоемким, но не вызывал принципиальных трудностей при технической реализации. Поэтому этот метод был быстро освоен, и страна вовремя получила необходимое количество тяжелой воды. Второй метод был проще и дешевле, но требовал высокой чистоты исходного водорода».

<……>
Г.Н. Гельперин подчеркнул в беседе с автором книги, что его отец привлек к проблеме промышленного получения тяжелой воды среди других и своего брата-михмовца И.И. Гельперина. «Отец работал в тесном контакте не только с братом, но и с Л.А. Костандовым, бывал в Чирчике на ЧЭХК». Таким образом, работа ЧЭХК по проблеме тяжелой воды, описанная в других очерках данной главы, имеет непосредственное отношение к Н.И. Гельперину как научному и инженерному руководителю ректификационного направления. Более детальных сведений о его работе по темам Атомного проекта нами пока не найдено.

По итогам всей деятельности Н.И. Гельперина его по праву считают одним из создателей химической промышленности СССР.

Нисон Ильич Гельперин (1903 — 1989)

«Все научно-исследовательские изыскания и проектные разработки завершились успешным пуском соответствующего производства. Приоритет СССР в этой области признан Второй международной конференцией по мирному использованию атомной энергии, проходившей в 1958 году в Женеве. Завод или цех «Г» в Чирчике для получения D2 низкотемпературной ректификацией Н2 мог быть построен только после проведения необходимых исследовательских и проектных работ и отработки технологии на опытной установке».

В статье автор несколько раз упоминает о Леониде Аркадьевиче Костандове, который, будучи одним из ведущих специалистов ЧЭХК, принимал самое активное участие в описываемых работах. В статье Л. Стрельниковой «Главный химик страны» (Журнал «Химия и Жизнь», 2015 г., №8) об этом написано так:

Все 13 лет, которые он проработал на заводе в Чирчике, были ежедневной битвой с вызовами и обстоятельствами, битвой за внедрение новых технологических процессов в кратчайшие сроки. И каждый раз Костандов был лидером очередного проекта. Например — тяжелая вода. В сороковых годах она срочно понадобилась стране для атомного проекта. В 1944 году правительство ставит задачу: сделайте воду, а уже осенью 1945-го в Чирчике запущен первый цех получения тяжелой воды электрохимическим методом. Чуть позже здесь же построили опытный завод, на котором делали тяжелую воду более дешевым способом — из дейтерия, полученного низкотемпературной ректификацией жидкого водорода. Дело совершенно новое, никаких аналогов, на которых можно было бы поучиться, не было. И поначалу ректификационные колонны взрывались одна за другой. Долго не могли понять, в чем дело. До сути докопался Костандов. Он понял, что причина взрывов — кислород. Его малые количества, присутствующие в исходном водороде, во время ректификации при очень низкой температуре (24—26 К) затвердевали, накапливались в насадке колонны и провоцировали взрыв. Поэтому для процесса требовался водород высокой чистоты. Однако в то время у нас не было анализаторов кислорода такой высокой чувствительности не то что для заводов, но даже и для исследовательских целей. И тогда Костандов вместе с коллегами инженерами и конструкторами взялись за расчеты и вычислительные эксперименты. Благодаря им удалось построить систему, в которой сама ректификационная колонна становилась анализатором кислорода в водороде. В 1949 году Костандова назначили директором Чирчикского электрохимического комбината. Почему? Ведь он был еще совсем молодым — тридцатичетырехлетним инженером. Да потому, что он уже успел доказать, что способен на многое, а главное — умеет брать на себя ответственность, доводить дело до конца и работать с людьми. Директорство на крупном предприятии, особенно на химическом и в то сложное время, было сродни сидению на пороховой бочке, причем в прямом смысле этого слова. Вскоре после назначения Костандова на заводе произошел взрыв — разорвало на куски автоклав прямого синтеза азотной кислоты, пострадало семь человек, в километре от завода снесло одноэтажные дома. Местное управление НКВД сообщило в Москву, что разрушен весь комбинат и погиб весь его коллектив. Обвинение НКВД в диверсии удалось отбить, но предстояло еще разобраться в истинных причинах аварии. На помощь призвали академиков и других специалистов. Оказалось, что взрыв спровоцировал дихлорэтан, попавший в автоклав. Костандов извлек из этой аварии урок на всю жизнь. Дотошное внимание к деталям, надежность аппаратов, безопасность персонала стали его приоритетами — приоритетами будущего министра. Вообще, химическое производство приучает думать о последствиях — хороший навык для работы во власти. За тринадцать лет на производстве, которое постоянно осваивало новые технологические процессы, Костандов прошел огонь, воду и медные трубы едва ли не буквально. Они-то и дали бесценный опыт. Это та обязательная профессиональная школа, которая формирует компетентность и которую должен пройти любой руководитель промышленности, чтобы быть эффективным. Его честный труд с полной самоотдачей государство вознаградило двумя премиями — Сталинской (1951) за внедрение на своем заводе прогрессивной технологии газификации низкосортных углей в кипящем слое, разработанной в ГИАПе, и Ленинской (1960) за новый промышленный процесс получения тяжелой воды. И это был еще один впечатляющий урок для Костандова — добиться успеха можно только в союзе производственников и отраслевой науки, и другого пути развития нет. Директором Костандов проработал всего четыре года. Конечно, столь яркого лидера хотело заполучить Министерство химической промышленности. И заполучило. В 1953-м его назначили начальником Главного управления азотной промышленности, которым он руководил в течение пяти лет, затем была работа в ГКНТ, в 1965 году он стал министром.

Леонид Аркадьевич Костандов (1915 — 1984). Снимок 1954 года