钚-239的生产与苏联核计划

摘要：苏联核计划中使用的核裂变材料主要有钚-239和铀-235，其中钚-239的生产率先取得成功，1949年8月29日苏联试爆的第一颗原子弹РДС-1所使用的核裂变材料便是钚-239。1949年之前，钚-239的生产具有试验性特征，1949年之后，钚-239进入了工业规模化的生产阶段。在钚-239的工业生产阶段，反应堆技术、放射化学技术和化学冶金技术都不断完善，实现了产能提高、成本下降、安全生产等目标，形成了完善的钚工业综合体，不仅为俄罗斯联邦留下了丰厚的钚产品，还为其钚-239的生产奠定了坚实基础。

关键词：苏联核计划;钚-239;反应堆技术;放射化学技术;化学冶金技术

苏联核计划实施过程中使用的核裂变材料主要有钚-239和铀-235，它们的顺利生产是研制核武器最关键、难度最大的环节之一。苏联核计划的学术负责人И.В.库尔恰托夫（И.В.Курчатов）曾反复强调，研制核武器的主要困难在于钚-239和铀-235的生产。① 为了节省时间，政府决定同步生产钚-239和铀-235。鉴于美国已试爆的原子弹是钚弹，故苏联在政策上更倾向于加紧钚-239的研制。据已解密档案显示，自1945年8月20日核计划全面启动到1949年8月29日РДС-1②

成功试爆，专门委员会③

共召开了90多次会议，其中有50余次会议涉及生产钚-239的817综合厂，④

解决了与其选址、设计、建设和调试有关的80余个问题。⑤

苏联在钚-239的生产领域率先取得成功，实现了从无到有的突破。1949年之后，苏联在钚-239的生产上仍面临着提高产量、降低生产成本、实现安全生产等重任。据统计，1950—1953年间，专门委员会召开了15次会议，仅与817综合厂有关的议题就达到50余个。⑥

1953年6月专门委员会被取缔后，钚-239的生产移交给了苏联中型机械制造部，在其领导下继续扩大生产规模、完善生产技术。关于РДС-1试爆之前与钚-239生产有关的问题，笔者在《苏联赶超型的核工业发展政策——以乌拉尔地区为例》《苏联核裂变材料的生产与核计划的实施（1945—1949）》《苏联计划中的核保密城市研究（1945—1953）》

张广翔、张文华：《苏联赶超型的核工业发展政策——以乌拉尔地区为例》，《俄罗斯研究》，2018年第5期;张文华、张广翔：《苏联核裂变材料的生产与核计划的实施（1945—1949）》，《史学集刊》，2019年第5期;张文华：《苏联计划中的核保密城市研究（1945—1953）》，博士学位论文，吉林大学，2019年。等论著中已详细阐述，本文重点关注1949年之后钚-239生产的相关问题，根据俄罗斯最新解密的档案

Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅰ，Ч.1-2.М.：Наука·Физматлит·Издательство МФТИ，1998，2002; Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.1-7.Саров-М.：РФЯЦ -ВНИИЭФ·Физматлит，1999，2000，2002，2003，2005，2006，2007; Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы.Т.Ⅲ，Кн.1-3.М.：Наука·Физматлит，2008，2009，2010; Велихов Е.П.（глав.ред.） Наука и общество：история советского атомного проекта （40-е - 50-е годы）.Т.1-3.М.：ИздАТ，1997，1999，2003.梳理1949年之后苏联在钚-239生产方面取得的技术突破，及其在工业规模化生产方面取得的成就。

一、反应堆技术的发展

钚-239在自然界中并不存在，需要利用核反应堆中产生的中子打击铀-238，其生成物衰变后形成钚-239，然后再利用化学方法将钚-239从铀-238中分离出来。由此可见，生产钚-239最重要的环节就是建成反应堆。反应堆的技术方案主要有铀—石墨反应堆（以下简称石墨堆）、铀—重水反应堆（简称重水堆）和铀—轻水反应堆（简称轻水堆）。1949年之前，苏联以发展石墨堆为主，重水堆和轻水堆处于试验研究阶段;1949年之后，石墨堆仍处于主导地位，但重水堆和轻水堆已付诸生产实践。

1.石墨堆

石墨堆即以石墨作为核反应堆中中子减速剂的反应堆。1945—1949年间，苏联在817综合厂建造并投产了第一座A石墨堆，其铀棒采用垂直放置方案，克服了美国水平放置方案工艺管道结构构件容易变形的弊端，首创了工艺管道的垂直结构，使得石墨堆的效能大大增强，成为苏联的第一代反应堆。然而其产能过低，A石墨堆的钚产量约为100克/天。

Шубарина Л.В.Становление и развитие оборонно-промышленного комплекса на Урале：1945-1965 гг.Челябинск：Челябинский государственный университет，2011.C.92.为了提高钚的生产能力，1948年7月17日第一管理总局下达第276cc/оп号命令，决定在817综合厂再建一座高效的AB-1石墨堆，计划产量是200～250克/天。

Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.1.C.310.

AB-1石墨堆基本上是A石墨堆的复制品，它们的研究团队几乎相同：理论研发单位都是2号实验室，

2号实验室以往也译作“第二实验室”，是核武器的理论研究中心。整体结构设计单位都是第11国家特种工程设计院，各个特殊单元和系统的设计委托给重工业企业建设部下属的钢结构设计院和电气安装中心，以及电站部下属的全苏热工研究所和热电公司。鉴于A石墨堆的设备制造和安装单位——化学机械制造研究所的工作存在积压，АВ-1石墨堆的设备制造和安装由装备部下属92厂（也称高尔基机械制造厂）负责。为此，92厂成立了专门设计局负责核工业设备的研发。AB-1石墨堆于1950年4月投入使用。与此同时，817综合厂又新建了AB-2（1951）、AB-3（1952）、ИР-АИ（1951）三座类似的石墨堆。其中，AB-2和AB-3反应堆的主要技术设备由乌拉尔奥尔忠尼启则重型机械制造厂研制，电气设备由波多里斯克机械厂研制，而ИР-АИ反应堆主要借鉴了A石墨堆的技术经验。就用途而言，AB-1、AB-2石墨堆仅用于生产钚-239，AB-3和ИР-АИ石墨堆可以生产钚-239和核聚变材料氚。它们是苏联的第二代反应堆，与第一代反应堆一样，都是垂直型反应堆。但与第一代反应堆相比，它们的生产效率更高，且安全性能更好。

但仅由817综合厂一家工厂进行钚-239的生产，产量不能完全满足国家的需要。因此在20世纪50年代中叶之后，政府又在西伯利亚地区新建了816综合厂和815综合厂。816综合厂的第一座反应堆是И-1（1955），其设计与第二代反应堆类似。但这两家新综合厂主要使用的是第三代反应堆，其中第一座投产的是ЭИ-2反应堆，它于1958年初在816综合厂投入运行。到20世纪60年代，816综合厂又投产了改良版的АДЭ-3（1961）、АДЭ-4（1964）、АДЭ-5（1966）反应堆。与此同时，815综合厂相继投产了АД（1958）、АДЭ-1（1961）、АДЭ-2（1961）反应堆。第三代反应堆是两用反应堆，不仅可以生产钚-239，还可以产生热能和电能，满足周边城市居民取暖和用电的需求。与第一代和第二代反应堆采用传统的单回路冷却系统不同，第三代反应堆采用的是双回路冷却系统。

2.重水堆和轻水堆

РДС-1试爆成功之后，817综合厂除了新建石墨堆、改进石墨堆的技术以增加钚产量之外，在重水堆和轻水堆的研究方面也有了实质性的突破，从试验阶段过渡到实践阶段。

重水堆与石墨堆的工作原理基本相同，只是中子减速剂不同。重水堆是用重水作为中子减速剂的核反应堆。1945年12月1日，苏联科学院成立3号实验室，专门负责研究重水问题，学术负责人是А.И.阿里汉诺夫（А.И.Алиханов）院士，助手是В.В.弗拉基米尔斯基（В.В.Владимирский）。同时，政府命令化学工业人民委员会下属的奇尔奇克制氮厂生产重水，1948年底该厂的重水生产达到了计划设定水平。1949年3号实验室的实验重水堆达到临界状态，至此，苏联建造工业重水反应堆的时机已成熟。1949年6月，817综合厂开始建设ОК-180重水堆。1950年夏至1951年秋，ОК-180进入安装、调试阶段。1951年10月17日，ОК-180重水堆正式启动，阿里汉诺夫院士和弗拉基米尔斯基亲自负责监督，计划产能为28千克/年。

Рябев Л.Д.（общ.ред.）Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Книга 5.C.717.此后，817综合厂又有ОК-190（1955）、ОК-190М（1966）、柳德米尔重水堆（1988）相继投产。其中，ОК-180、 ОК-190和ОК-190М三座重水堆主要生产钚-239，而柳德米尔重水堆主要生产氚及其他同位素产品。此外，鉴于重水生产的成本比较高昂，1979年817综合厂还投产了一座鲁斯兰轻水堆，它是利用经过净化的普通水作为中子减速剂和冷却剂的反应堆，主要用以生产氚。苏联时期，仅817综合厂建有重水堆和轻水堆。

综上所述，817综合厂、816综合厂和815综合厂先后投产了18座反应堆。除了生产钚-239之外，AB-3、ИР-АИ、柳德米尔和鲁斯兰反应堆还可生产氚。这表明，在РДС-1试爆成功之后，氢弹的研制提上日程，反应堆承担了生产核聚变材料的任务。此外，柳德米尔与鲁斯兰反应堆还可以生产钚-238、钴-60、碳-14、铱-192等同位素产品。由此可见，817综合厂是一家可以同时生产核裂变材料钚-239、核聚变材料氚和各种同位素的大型综合厂。

石墨堆、重水堆和轻水堆三种类型的反应堆各有优缺点：石墨具有高熔点、稳定、耐腐蚀等优点，故石墨堆运行稳定、造价相对便宜、技术难度不大，可以大规模生产钚-239，但石墨堆对石墨纯度要求非常高。相对于石墨堆，重水堆的优点是对核燃料（低浓缩铀）的需求量相对较少，且有效利用率高，产量也相对较高。如ОК-180使用的低浓缩铀仅是A石墨堆的1/10，但钚-239的产量却是后者的2倍。重水堆的缺点是重水的生产成本较高，对主电路设备的精密度要求非常高，操作难度较大。与重水相比，轻水生产的成本较低，且其减速效率也很高。由于轻水的减速能力及载热能力都较好，所以轻水堆的结构紧凑、堆芯体积小且功率密度大，故在体积相同时，轻水堆功率最高。此外，轻水堆核燃料的有效利用率也是重水堆的4～6倍。基于上述特点，轻水堆具有基建费用低，建设周期短等优点。然而轻水沸点低，比重水和石墨更容易吸收热中子，所以轻水堆无法以天然铀维持链式反应。就技术难度而言，轻水堆虽低于重水堆，但高于石墨堆。随着反应堆技术的改进，这三类反应堆的燃料利用率、产能和安全性能都有大幅度提升。

二、放射化学技术的发展

放射化学厂的主要任务是利用放射化学的方法从辐照铀中分离出钚-239，并清除裂变中产生的衍生物和杂质。放射化学生产被公认为是对环境和生物最危险的生产活动之一，苏联的第一座放射化学厂是817综合厂的Б化学冶金厂（以下简称Б厂）。经过苏联科学家不断的技术探索，放射化学技术日趋完善。