В апреле 1943 года в один из кабинетов УПИ (Уральский политехнический институт, г. Свердловск) был срочно вызван один из опытнейших механиков Иван Поляков. Там его встретил только что вернувшийся из Москвы профессор Исаак Кикоин.

Если особо не вдаваться в детали, то перед Поляковым была поставлена просто безумная, по тем временам, задача — изготовить мембрану с диаметром ячейки 5/1 000 мм. И вот уже в 1944 г. в московском Секторе № 2 (теперешнем ИМФ) появился чудо-автомат, который сверхтонкой иглой протыкал медную фольгу толщиной 0.2 мм.

Дырки автомат делал исправно, а вот его производительность была не очень — всего 0.1 м2 в сутки.

Как только первые мембраны были готовы, они были тут же подвергнуты испытанию — через них пропустили смесь газов СО2 и N2. Пробы за мембраной показали рост концентрации N2. Расчеты И. К. Кикоина по диффузионному разделению изотопов оказались верны.

Это означало, что в СССР началось практическое воплощение «ядерной программы».

Мелкодисперсный никелевый порошок производства НПО «Центротех» (г. Новоуральск).© zzaharr. livejournal.com

Тогда в Свердловске механику Полякову не сказали самого главного — для чего нужна была советским ученым эта фольга с тысячами мелких дырочек.

Буквально за пару месяцев до этого на стол зампреда СовНарКома СССР легла записка за подписью научного руководителя «атомного проекта» И. В. Курчатова: «…единственным рациональным решением (обогащение урана прим. авт.) принимается разделение изотопов при помощи диффузии через мембрану с мелкими отверстиями».

Такому решению удивились даже сами участники проекта — ученые Арцимович, Кикоин и Ланге, ведь с точки зрения эффективности диффузия не шла ни в какое сравнение с центробежном методом.

Но в этом и заключалась суровая логика военного времени. Центрифуги могут быть построены лет через пять, а может и через десять, а атомная бомба нужна государству уже завтра.

Диффузия была более реализуемой технологией, однако медное сито оказалось непригодным для гексафторида урана, полученные микроскопические отверстия оказались слишком большими.

Дело в том, что «тяжелые» и «легкие» изотопы урана разделяются не по своему размеру, и не по массе… а по своей скорости. Шестифтористый 235U быстрее своего «тяжелого» собрата 238U на 0.5%.

Размер ячеек мембраны должен быть меньше длины свободного пробега молекулы — только в этом случае частица успеет пролететь сквозь отверстие, не успев столкнуться с другими молекулами. 

Медленные и тяжелые молекулы с 238U конечно тоже будут проскакивать, но будут делать это с меньшей прытью.

Рисунок из отчета И. К. Кикоина «О диффузионном методе разделения изотопов» (2 ноября 1945 г.)© zzaharr. livejournal.com

Так вот, в случае с гексафторидом урана это самый свободный пробегсоставляет всего 1/10 000 мм или всего 100 нанометров.

Следовательно, ячейки мембраны должны быть еще мельче, и тут уже никакие иголки не помогут.

И тогда было принято решение такую мембрану испечь. Для этого понадобился мелкодисперсный металлический порошок с размером частиц по Фишеру Df=0,5−1,0 мкм.

Далее из порошка и наполнителя замешивается специальное «тесто», из него выдавливается пластинка или трубка и отправляется в печь.

Под воздействием температуры частички никеля спекаются, а наполнитель испаряется, оставляя после себя пустоты требуемого размера — мембрана готова.

Современная продукция НПО «Центротех» г, Новоуральск. Никелевый порошок и фильтры с эффективностью очистки от частиц размером более 0.01 мкм — 99.999%.© zzaharr. livejournal.com Детальное SЭМ исследование порошка при увеличении в 50 тысяч раз показало присутствие множества частиц с размерами 100 нм.© zzaharr. livejournal.com

Первые образцы имели 7−10 тыс. отверстий на квадратном сантиметре. За схожесть по размеру и форме с игральными картами их так и называли — «карты». Их работоспособность Исаак Кикоин подтвердил в в одну из ночей 1947 года, когда в своей Лаборатории № 2 впервые обогатил… воздух.

Позже, на смену «картам», пришли трубчатые фильтры, как более производительные и надежные. а еще через год на заводе № 813 (Уральский электрохимический комбинат, Свердловск, 44) была получена первая промышленная партия U235.

Для создания 70 граммов урана, обогащенного до 92 процентов, в СССР в середине 40-х годов газ гексафторид урана последовательно проталкивали сквозь 3100 диффузионных установок. Процесс занимал сутки.

Для публикации использовались материалы электронной библиотеки «История Росатома»: Воинов Е. М., Плоткина А. Г. «Разработка диффузионного метода разделения изотопов урана» Отчет И. К. Кикоина «О диффузионном методе разделения изотопов». 2 ноября 1945 г.