Как известно, с начала 40-х годов XX века в США, СССР и Германии были почти одновременно развернуты работы по использованию атомной энергии (точнее, конечно, ядерной) - в то время исключительно для военных целей. Практически сразу встала проблема создания материалов для ядерных реакторов и атомных бомб. Конструкционные материалы для реакторов должны были отвечать исключительным и ранее никогда не встречавшимся требованиям. Так, в цирконии практически не должен был содержаться гафний. Понадобился' графит с исключительно низким (менее 10-4%) содержанием элементов, сильно поглощающих нейтроны, - бора, кадмия, некоторых редкоземельных элементов. Жестким требованиям - и не только по элементному, но и по изотопному составу - должен был удовлетворять уран. Получение этих и других материалов с заданными характеристиками было невозможно без соответствующих методик анализа. Поэтому в рамках "урановых проектов" и в СССР, и в США были созданы специальные научные подразделения, отвечающие за обеспечение аналитического контроля и, соответственно, за научно-технические решения в этой области. Подбору специалистов и всем исследованиям в данной области мешала засекреченность "урановых проектов". В советской открытой печати одно время даже было запрещено упоминать само слово "уран". О химико-аналитических исследованиях, связанных с этими проектами, и до сих пор в научной печати не так уж много публикаций.
В США в рамках Манхэттенского проекта за химический анализ отвечал в основном Дж. Бонд. Аналитическая лаборатория, которую возглавлял Бонд, функционировала в Чикаго, она включала 90 специалистов. Были и другие лаборатории, работавшие на американский проект: в Принстонском университете (Н. Фурман), в Национальном бюро стандартов (К. Родден, Дж. Хоффман), университете штата Айова (Ф. Спеддинг) и др. Им приходилось решать очень трудные задачи, готовых аналитических методов не было. Руководители лабораторий старались привлечь к работе наиболее подготовленных и творчески мыслящих аналитиков. В методических исследованиях стали активно участвовать Дж. Моррисон, впоследствии профессор Корнельского университета и главный редактор журнала "Analytical Chemistry", У. Мейнке - будущий руководитель Аналитического отделения Национального бюро стандартов, другие крупные специалисты. При выполнении Манхэттенского проекта впервые довольно широко были использованы радиоактивационный метод анализа, ультрамикроскопический анализ на предметном столике микроскопа; было найдено много иных оригинальных методических решений.
В СССР за "химико-аналитическую" часть атомного проекта отвечал А.П. Виноградов (будущий академик, директор ГЕОХИ АН СССР). Многие крупные аналитики, принимавшие участие в советском проекте, тогда и потом работали в институтах Академии наук СССР (П.Н. Палей, Д.И. Курбатов и многие другие). Частично методические работы проводились в научных учреждениях в Москве и других городах, частично непосредственно "на местах" - на комбинате 817 (будущий комбинат "Маяк" под Челябинском), на Уральском электрохимическом комбинате и т.д. В нарождающейся атомной промышленности сложились серьезные группы аналитиков. Например, во Всесоюзном институте неорганических материалов им. А. А. Бочвара работали аналитиками будущие или уже тогдашние доктора наук Л.В. Липис, В.К. Марков, С.В. Елинсон, А.Е. Клыгин, И.В. Моисеев, А.В. Виноградов и др. (этот НИИ вначале называли НИИ-9). Во Всесоюзном институте химической технологии (НИИ-10) - В.А. Пчелкин, Ю.К. Кварацхели, В.К. Лукьянов и др., в Физико-техническом институте (Обнинск) - А.Г. Карабаш и др. В числе самых первых аналитиков, занимавшихся плутонием и другими трансурановыми элементами, был Борис Васильевич Курчатов, брат научного руководителя "уранового проекта" И.В. Курчатова.
На первой стадии выполнения "уранового проекта" в Советском Союзе был развернут поиск месторождений урана, потребовавший нового аналитического обеспечения. Так, в 1945 г. был налажен серийный выпуск гамма-радиометров, такие приборы устанавливали даже на самолеты. В разработку этого дистанционного метода важный вклад внес А.Л. Якубович. Почти одновременно были развернуты исследования по технологии получения и очистки урана, по разделению и обогащению его изотопов, по созданию особо чистых конструкционных материалов для строительства будущих атомных реакторов. Результаты анализов были нужны на всех этапах выполнения проекта и химико-аналитические исследования проводились сразу в нескольких направлениях.
Вот выдержка из совершенно секретного документа [1], датированного 15 августа 1946 г. и направленного правительственному куратору атомного проекта Л.П. Берия. Это отчет организаторов проекта Б.Л. Ванникова, И.В. Курчатова, М.Г. Первухина, И.И. Малышева, И.К. Кикоина о работе за полтора года (1945-1946 гг.). Напомним, что советская атомная бомба будет взорвана еще только через три года!
"На протяжении всей работы осуществления проекта уран-графитового котла разработка достаточно точных методов химического анализа явилась первостепенной, очень сложной и трудноразрешимой. Задача получения особо чистого металла оказалась очень сложной как потому, что технология получения химически чистого урана вообще очень мало разработана, так и потому, что необходимо определять некоторые примеси в количестве... одна двухсоттысячная [доля] процента, с каковыми в практике наши аналитические лаборатории и институты не встречались... За истекшее время в 1946 г. научно-исследовательские институты и лаборатории, привлеченные к разработке аналитического метода, нашли способ определения большинства наиболее опасных примесей для котла и в настоящее время эта сложная исследовательская работа подходит к завершению...по всем видам примесей. Химический анализ ряда партий металлического урана, выпускаемого заводом № 12, показал, что уран может быть получен достаточно чистым, и, таким образом, есть все основания ожидать, что к моменту постройки уран-графитового котла он будет обеспечен металлом".
Для определения элементного состава материалов атомной промышленности в то время применяли различные методы, в том числе фотометрические (с применением органических реагентов), полярографию, атомно-эмиссионный анализ. В 1962 г. вышла в свет книга "Аналитическая химия урана", подготовленная сотрудниками НИИ-9, систематизирующая и обобщающая разработанные к этому времени методы определения урана [2]. В ней, в частности, отмечается: "Методы определения урана с неокрашенными реагентами в последние годы не всегда стали удовлетворять возросшим требованиям по чувствительности. Поэтому наметилась тенденция к использованию органических окрашенных реагентов, как правило, более чувствительных. Из них наибольшее применение, видимо, нашел реагент арсеназо II (или уранон), синтезированный и предложенный для определения урана в 1941 г. В.И.Кузнецовым".
Большой опыт анализа сырья для атомной промышленности, а также соединений урана, бериллия и других элементов накопился во Всесоюзном институте химической технологии (НИИ-10). Здесь, как и в других лабораториях, занимавшихся материалами атомной техники, роль химических методов (включая электрохимические и фотометрические) постепенно снижалась. Уменьшалась значимость методов разделения и концентрирования элементов (экстракция, сорбция, ионный обмен), которые вначале применялись очень широко. Зато постоянно росло применение мощных физических методов.
Разработка методов анализа урана на нейтронопоглощающие и другие примеси в сильной степени стимулировала создание и совершенствование методов определения очень низких содержаний любых элементов. Такого рода работы применительно к атомно-эмиссионному анализу были обобщены в книге "Спектральный анализ атомных материалов", написанной А.Н.Зайделем, Н.И.Калитеевским, Л.В.Липисом и М.П.Чайкой (1960 г.).
Исследование продуктов деления урана выдвинуло задачу определения большого числа радиоактивных элементов в их сложных смесях (радиохимический анализ). Под радиохимическим анализом понимали идентификацию, оценку содержания, а и иногда и определение каких-либо физических характеристик радионуклидов в их смеси. Этот вид анализа родился еще в начале XX века, задолго до уранового проекта. С подобными же задачами позднее столкнулись физики при расшифровке состава продуктов, полученных при облучении каких-либо элементов или соединений на циклотронах и синхрофазотронах. Решением подобных задач занимались и занимаются в основном радиохимики, но и аналитики тоже. В рамках радиохимического анализа возникла совершенно новая проблема - создание аналитической химии трансурановых элементов. Прежде всего плутония, затем нептуния, америция и других. Временами возникавшая идея создать ториевый реактор стимулировала интерес к протактинию.
Следует учесть, что анализ облученных материалов, сред с высокой радиоактивностью - нелегкая задача не только с научной точки зрения, но и еще с точки зрения безопасности работы: радиоактивность есть радиоактивность. Это как раз та область, где нужна максимальная автоматизация, где нужен дистанционный анализ. В этом направлении было многое сделано в разных странах. Еще в конце 1960 годов достигнутое было обобщено в книге Б.В.Шелемина [3].
В 40-50-е годы возник интерес к ультрамикроанализу. Этим термином называют совокупность методик, предполагающих операции с очень малыми количествами анализируемого вещества - с пробами массой порядка нескольких микрограммов, с объемами около микролитра. Внимание к ультрамикроанализу было стимулировано задачами радиохимического анализа. Ведь количества трансурановых элементов в первые годы были ничтожными! Исследования по ультрамикроанализу успешно развивались в США (П. Кирк, А. Бенедетти-Пихлер [4] и др.), а в послевоенные годы получили продолжение и в СССР (И.П. Алимарин, М.Н.Петрикова). Тогда в ультрамикроанализе применяли чисто химические методы. Но уже через несколько лет ультрамикроанализ (в этом понимании) потерял свое значение в связи с появлением более мощных физических методов.
Существенным разделом аналитических исследований в рассматриваемой нами области был (и остается) изотопный анализ. Долгое время он был лишь методом научного исследования. Его применяли физики, потом физикохимики, радиохимики, геологи (определение возраста горных пород), археологи (датировка углеродным методом). Однако при решении атомной проблемы с начала 40-х годов он фактически стал методом производственного контроля; особенно это относилось к определению изотопов урана (235U, 238U). Другая важная область изотопного анализа - контроль состава "тяжелой воды".
Разделять изотопы урана (точнее - обогащать уран его активным изотопом) необходимо было в больших масштабах. В СССР для этого использовали газодиффузионный метод, потом ультрацентрифугирование. Степень разделения изотопов надлежало тщательно контролировать. В США такие работы вели в лаборатории, которая потом стала называться Окриджской национальной лабораторией (штат Теннеси), в СССР - на уже упоминавшемся Уральском электрохимическом комбинате в г. Новоуральске Свердловской области. На этом комбинате (бывший комбинат № 813) масс-спектрометрическая лаборатория для изотопного анализа гексафторида урана существует с 1948 г. Эта лаборатория не только обслуживала производство, но и сама разрабатывала масс-спектрометры. Помимо масс-спектрометрии, для изотопного анализа применяли характеристики изотопного распада, атомно-эмиссионный спектральный метод, впоследствии ядерный магнитный резонанс. Однако масс-спектрометрия и сейчас остается основным методом изотопного анализа. Не случайно уже в начале XXI века Министерство атомной энергии Российской Федерации заказало Институту аналитического приборостроения РАН разработку изотопных масс-спектрометров нового поколения.
В Ленинградском университете в 1948 г. в составе кафедры оптики была организована лаборатория спектрального анализа (А.Н. Зайдель), ее задачей была разработка и внедрение чувствительных методов элементного анализа высокочистых атомных материалов; эти работы были отражены в уже упомянутой монографии. Но в 50-х годах лаборатория занялась изотопным спектральным анализом и многого добилась в этом направлении (А.А. Петров, А.Г. Жиглинский, В.М. Немец и др.). На эту тему написано несколько книг; укажем монографию А.А. Петрова "Спектрально-изотопный метод исследования материалов", 1974.
В 60-е годы на первый план вышли атомные материалы гражданского назначения. Это было, в частности, "ядерное топливо" для атомных электростанций. Государственные организации, отвечающие за атомную энергетику, с того времени выступают в роли заказчика и спонсора исследований в области аналитической химии. В США это Министерство энергетики, в России - Федеральное агентство по атомной энергии, соответствующие органы в Японии, Великобритании, КНР, Франции и других странах. Для аналитической химии открылось новое поле исследований, возникли новые задачи, требующие нестандартных подходов, например, контроль состава отработанного ядерного топлива. Интересные и сложные задачи возникали и в других направлениях (обнаружение сверхнизких количеств синтезируемых транскюриевых элементов, обнаружение следов ядерных взрывов).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Атомный проект СССР. Документы и материалы. Под ред. Рябева Д.Д. Т. Атомная бомба. 1945-1954. Кн. М.-Саров: Наука-Физматлит, 2000. С. 552.
2. Марков В. К., Верный Е.Л., Виноградов А.В. и др. Уран. Методы его определения. Изд. 2-е, испр. и дополн. М.: Атомиздат, 1964.
3. Шелемин Б.В. Автоматические анализаторы радиохимических сред. 2-е изд. М.: Атомиздат, 1971.
4. Бенедетти-Пихлер А. Техника неорганического микроанализа. Пер. с англ. под ред. Алимарина И.П. М.: Изд-во иностр. лит. 1952. Кирк П. Количественный ультрамикроанализ. М.: Пер. с англ, под ред. Алимарина И.П. Изд-во иностр. лит. 1952.