Атомный аврал

Вторая трудность заключалась в наличии примесей. В облученном уране плутония содержится десятые или даже сотые доли процента. И ровно столько же, если не больше, находится в уране осколков деления ядер урана-235 — радионуклидов. Ядра урана делятся произвольным образом, и поэтому осколки деления представляют собой смесь десятков самых разных химических элементов, в том числе и газов. С точки зрения технологии все эти осколки являются паразитными примесями, от которых необходимо освободиться. Сложность заключается в том, что все эти осколки предельно радиоактивны. А потому весь химический процесс выделения плутония приобретает характер исключительно опасный для здоровья и жизни окружающего персонала.

Рекомендация Смита:

«Все технологические операции необходимо производить на значительном расстоянии от густонаселенных районов и строить специальные, достаточно большие хранилища для радиоактивных отходов…

Громадная активность радиации от продуктов деления, сравнимая с радиоактивностью многих килограммов радия, требовала применения дистанционных методов во всех химических операциях.»

В декабре 1945 года в РИАНе были созданы три бригады ученых для параллельной разработки различных химических методов выделения плутония. Через три месяца кропотливой работы в Институте состоялся технической совет, на котором заслушивались доклады руководителей всех трех групп: Ратнера, Гринберга и Никитина.

После острой дискуссии наиболее перспективным был признан ацетатный метод, разрабатываемый группой профессора Ратнера под патронажем Хлопина. Этот метод основан на том, что плутоний, как и многие другие химические элементы, проявляет в разных химических соединениях разную валентность. Он может быть трехвалентным (восстановленное состояние) и шестивалентным (окисленное состояние). В зависимости от этого состояния меняется растворимость плутония в некоторых средах и некоторые другие химические свойства.

Первая технологическая операция напрашивалась сама собой. Облученные блочки урана надо было растворить в какой-либо кислоте, поскольку все химические операции можно практически производить только с растворами. После растворения первый этап технологического процесса заключался в освобождении от всех радионуклидов, «загрязняющих» производство.

Наиболее перспективным на этом этапе Хлопин считал метод сокристаллизации, хорошо изученный ещё в двадцатые годы при выделении радия из урановой руды. Метод заключался в искусственном соединении в общие кристаллы выделяемого элемента и элемента-носителя. Для плутония носителем мог служить сам уран, который по атомной массе и некоторым свойствам близок к плутонию. Шестивалентный плутоний и уран изоморфны, то есть в кристаллических соединениях способны замещать друг друга, образуя общие кристаллы переменного состава. Поэтому после растворения урановых блочков в азотной кислоте и окисления плутония до шестивалентного состояния можно проводить процесс окислительного осаждения. Он заключается в том, что к полученному раствору надо добавить вещество, которое, вступая в химическое соединение с ураном, образовывало бы нерастворимый кристаллический осадок. В качестве подобных осадителей в химии используют соли уксусной кислоты — ацетаты.

Следующей процедурой являлось разделение раствора и осадка (декантация). Сливаемая жидкость — декантат — бесполезный, но высокорадиоактивный отход производства. Уже тогда, на стадии лабораторного опробования, был выявлен основной недостаток ацетатного метода — образование большого объема жидких высокоактивных отходов (ВАО).

На каждую тонну перерабатываемого урана будет получаться 50 тонн жидких отходов! После промывки кристаллического осадка от остатков радионуклидов предстояла центральная стадия процесса: отделение плутония от урана. Для этого кристаллический осадок снова растворялся в азотной кислоте, после чего плутоний специальными химическими добавками к раствору восстанавливался до трехвалентного состояния. При этом он терял свою изоморфность с ураном. Поэтому при новом добавлении осадителя в осадок выпадало только соединение урана, а плутоний оставался в растворенном состоянии.

Остававшаяся в осадке урановая пульпа отфильтровывалась, утилизовывалась и уходила в новый производственный цикл.

Азотнокислый раствор плутония поступал дальше на очистку от остатков урана и радионуклидов, производимую лантан-фторидным методом. Использование «агрессивного» фтора для очистки предъявляло повышенные требования к материалам аппаратов и трубопроводов, поскольку наличие фтора в реагентах многократно усиливало процесс коррозии.