气体扩散法、铀浓缩与苏联核工业（1945—1964）

［摘 要］1945—1964年，苏联建成了以气体扩散法为核心的铀浓缩工业。在苏德国专家研制成功了渗透率较高的筒状过滤器，极大提升了扩散设备的分离能力。苏联机械专家Н.М.西涅夫对单轴压缩机轴承进行了耐磨损改进，增强了设备运转稳定性。苏联数学家С.Л.索博列夫与德国物理学家古斯塔夫·赫兹设计了能够自动调节级联中气体流量的控制系统，这是苏联在工业自动化领域的重大突破。苏联化学家В.А.卡尔扎文解决了六氟化铀腐蚀问题，扫除了气体扩散生产的最后一道障碍。上述问题的解决使苏联掌握了气体扩散法，开始批量生产核工业的基础原料——浓缩铀。苏联铀浓缩研发活动一方面加剧了美苏核军备竞赛，另一方面助推了和平利用原子能事业的发展，还为今天的俄罗斯留下了丰厚的“核遗产”。

［关键词］苏联；气体扩散法；铀浓缩；核军备竞赛

［中图分类号］"K512.55；K512.56"［文献标识码］"A"［文章编号］0583-0214（2024）08-0080-09

基金项目：国家社会科学基金重大项目“苏联核计划档案文献资料翻译整理研究”（15ZDB064）。

铀浓缩是制造核武器和核燃料的核心技术，气体扩散法是20世纪40—50年代主流的铀浓缩方法。生产浓缩铀的方法有多种，但形成工业规模的只有气体扩散法和气体离心法

“铀浓缩（富集）”，http：//hnsdzy.hunan.gov.cn/dzy/c101626/c101627/c101634/202310/t20231017_31694518.html，[发布日期不详]/2023—10—17。】。苏联是继美国之后世界上第二个掌握气体扩散法的国家。俄罗斯国家研究中心库尔恰托夫研究所副所长Д.Ю.邱维林博士认为，掌握气体扩散法是苏联核工业得以建立的基础之一【Д.Ю.楚维林、Ю.А.穆罗姆金、С.П.纳鲁尔扎科夫：“纪念И.К.基科因院士诞辰110周年”（Чувилин Д.Ю.，Муромкин Ю.А.，Наурзаков С.П.，“К 110-летию со дня рождения академика И.К.Кикоина”），《俄罗斯科学院学报》（Вестник российской академии наук）2018年第4期，第341页。】。气体扩散法在当时是极为高精尖的技术，即便在美国曼哈顿计划中，气体扩散法的研发也是最艰难的一关。对于苏联这样一个饱经战火摧残的后发工业国家来说，攻克该领域难关堪称奇迹，不仅涉及大量的新设备研发、故障处理等技术问题，而且要解决许多基础科学难题。

利用气体扩散法进行铀浓缩的设想最早是爱因斯坦提出的，原理是利用气态六氟化铀（铀-235含量约0.7%）中铀-235与铀-238的运动速度差异来提纯铀-235。气体扩散厂的基本布局是把压缩机和内装过滤器的管道串联起来组成级联，再通过压缩机加压使气态六氟化铀在管道中流动【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》（Л.Д.Рябев，Атомный проект СССР：Документы и материалы.下文凡著录该“文献资料”，径直著录作者和书名的汉译名称）第2卷第4册，萨罗夫：全俄实验物理学研究所出版社2003年版，第415～416页。】，最终过滤出浓缩铀。因此，过滤器被苏联科学家称为气体扩散厂的“心脏”，而压缩机是“第二重要的部件”【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》（Шадрин Е.А.，История промышленности разделения изотопов урана в России）第2卷，新乌拉尔斯克：TVEL燃料公司出版社2015年版，第139页。】。此外，气体扩散厂还须配备自动控制系统来调节数百座级联中的气体流量，对扩散设备进行特殊处理以防止六氟化铀与设备金属内壁发生腐蚀反应。也就是说，过滤器、压缩机、自动控制系统和抗六氟化铀腐蚀是气体扩散法的核心。1945—1950年苏联不计成本地集中攻克了上述难关，不仅借鉴了英美核情报，而且德国专家也发挥了重要作用【关于德国专家参与苏联核计划的情况，详见张广翔、王金玲：《德国专家与苏联核计划（1945—1956）》，《史学月刊》2021年第10期，第109～124页。】，最终于1949年11月投产了第一座气体扩散综合厂——第813综合厂。该厂于1950年12月实现了浓缩铀批量生产，标志着气体扩散技术基本成熟。此后一直到1964年，苏联陆续建成了10座气体扩散厂。气体扩散法是冷战时期苏联最主要的铀浓缩方法，直到80年代末才被更先进的气体离心法取代。

苏联解体后，核计划参与者的回忆性作品相继面世。其中，大都对气体扩散法的研发历程有所涉及【Н.М.西涅夫：《用于核武器与核能的浓缩铀：苏联高浓缩铀技术开发与生产史（1945—1952）》[Синёв Н.М.，Обогащённый уран для атомного оружия и энергетики：К истории создания в СССР промышленной технологии и производства высокообогащённого урана（1945—1952 гг.）]，莫斯科：俄罗斯联邦原子能工业部中央管理、经济和信息科学研究所1992年版；А.К.克鲁格洛夫：《苏联是如何创建核工业的》（Круглов А.К.，Как созавалась атомная промышленность в СССР），莫斯科：俄罗斯联邦原子能工业部中央管理、经济和信息科学研究所1995年版。】，最为全面的是2015年出版的《俄罗斯铀同位素分离工业史》，作者Е.А.沙德林曾任第813综合厂技术员，详尽阐述了包括气体扩散法在内的铀浓缩技术研发历程。从1999年起俄罗斯政府陆续解密并出版核计划官方档案后，俄罗斯史学界研究苏联核计划的作品大量涌现，代表人物包括Е.Т.阿尔乔莫夫、Н.В.梅利尼科娃、В.С.托尔斯季科夫、В.Н.库兹涅佐夫等人。研究重点为核工业综合体、核科学家以及核工业的社会经济影响等，但没有专门将气体扩散法列为主题。目前国内学者对苏联核计划的研究有一定基础，但尚无专门研究气体扩散法的成果。本文旨在通过分析气体扩散法四大核心问题的解决过程来揭示其历史影响，史料基础为俄罗斯政府解密的核计划官方档案，辅以相关俄文专著与期刊文献；时间跨度为1945年8月核计划开启至1964年苏联最后一座气体扩散综合厂投产，其中1945年8月到1950年12月的技术攻关期是探讨重点，之后气体扩散工业迈入了稳步发展阶段。

一 气体扩散法在苏联的确立与发展

苏联之所以选择气体扩散法来生产浓缩铀，首先是因为其他铀浓缩方法的研发遇阻。1942年9月28日斯大林签署命令恢复被战争打断的铀研究后，铀浓缩工作很快提上日程，可选方案有离心法、电磁法以及气体扩散法。起初德裔专家弗里茨·朗格提出的离心法较受重视，但研发过程不顺利【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第2册，萨罗夫：全俄实验物理学研究所出版社2000年版，第341～344页。】。始建于1947年、采用电磁法的第814综合厂因耗电量过大，生产了少量浓缩铀后于1951年改为核弹头生产厂。其次是因为英美核情报的作用。1943年3月，库尔恰托夫从英国核情报中了解到气体扩散法比离心法更加简单易行

【⑤ Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第1卷第1册，莫斯科：科学、物理数学和技术文献出版社1998年版，第314～315、370页。】。同年7月30日，库尔恰托夫在致莫洛托夫的2号实验室1943年上半年工作汇报中，建议将铀浓缩的重点放在气体扩散法上：“我国和英国、美国的物理学家们得出了一致结论：从技术和经济角度看，最有前途的铀浓缩方法是气体扩散。”⑤于是，战争期间苏联科学家便开始研究气体扩散法，取得了一些早期成果。苏联核计划全面启动后，美国核情报使专门委员会不再犹豫，决定尽快建成气体扩散厂。曾任苏联国家原子能委员会副主席的Н.М.西涅夫博士回忆道：“1945年美国出版了亨利·史密斯关于曼哈顿计划的专著，很快被苏联翻译引进，获取的信息使我们下定决心选择气体扩散路线。”Н.М.西涅夫：《用于核武器与核能的浓缩铀：苏联高浓缩铀技术开发与生产史（1945—1952）》，第20页。】

苏联的气体扩散研究由著名实验物理学家И.К.基科因领导。基科因35岁就当选苏联科学院通讯院士，20世纪30年代曾赴德国、荷兰的实验室工作，接触了当时世界上最前沿的核物理学。1943年起，基科因被库尔恰托夫选中参与铀研究，很快展现出极强的科研和组织才干，成为2号实验室气体扩散部门负责人。基科因总能正确判断合理的技术路线，在他的领导下气体扩散法成功实现了从实验室到工厂的跨越，为建立气体扩散工业立下汗马功劳。1953年，基科因正式当选苏联科学院院士【“基科因·伊萨克·康斯坦丁诺维奇”（“Кикоин Исаак Константинович”），https：//www.biblioatom.ru/persons/kikoin_isaak_konstantinovich/？ysclid=lsmyfpmq29984992258，[发布日期不详]/2023—10—17。】。

气体扩散法在苏联的发展经历了三个阶段。

一是1945—1950年的起步期。苏联内务部下辖的军事建筑单位开始建设第813、第816综合厂，仅1946—1950年对两厂建设投资就达90.91亿卢布，占第四个五年计划投资总额的2.68%【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第5册，萨罗夫：全俄实验物理学研究所出版社2005年版，第643～646页。】。其中，1948年7月第813综合厂的第一座气体扩散厂Д-1厂建设完成并进入设备调试阶段，1949年11月生产出第一批浓缩铀。但该厂受制于平面过滤器，产能较低，仅解决了浓缩铀的有无问题。为了提升产能，1950年12月投产的第二座气体扩散厂Д-3安装了新研发的筒状过滤器（关于平面与筒状过滤器的竞争详情见下文），浓缩铀产能开始爬坡。

二是1951—1954年的扩张期。为了尽快缩小对美核力量差距，苏联全力加速核工业建设。1954年第813、第816综合厂全面建成投产，前者下辖4座大型扩散厂Д-1、Д-3、Д-4与СУ-3，后者下辖Д-6、СУ-1两座大型扩散厂。至此，苏联建成了规模庞大的气体扩散工业。

三是1954年之后的发展期。1958年春伊尔库茨克州安加尔斯克电化学综合厂的1号扩散厂建成投产，1964年4座扩散厂全部投产。至此，苏联共拥有10座气体扩散厂，生产的高浓缩铀用于制造核弹头，低浓缩铀用于核电站与水面舰艇和潜艇的核动力装置，气体扩散工业已经是苏联核工业的支柱。更先进的气体离心法于20世纪60年代后期在苏联逐步投入工业生产，到80年代末完全取代气体扩散法。

二 德国专家与筒状过滤器

美国科学家于1941年在理论上证明了利用过滤器分离六氟化铀的可行性，英国莫德委员会也在同年提出了利用轧制金属网来生产平面过滤器的方案。这些情报使苏联科学家认识到了过滤器的重要性。早在1943年8月18日，2号实验室就将过滤器研制纳入了1943年下半年的工作计划中【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第1卷第1册，第387页。】。曾任第一管理总局副局长的А.М.彼得罗相茨少将称过滤器为“整个扩散分离技术的核心”，“扩散设备的分离能力、长期运行的可靠性，以及总体效率，最终都取决于过滤器的质量”【В.Н.米哈伊洛夫：《研制苏联第一枚核弹》（Михайлов В.Н.，Создание первой советской ядерной бомбы），莫斯科：原子能出版社1995年版，第260页。】。过滤器既要实现对六氟化铀中铀-235与铀-238的分子级过滤，还须具有极强的耐压与抗腐蚀能力，这对生产工艺要求极高。过滤器可以是平面或筒状，平面过滤器结构相对简单，易于生产。筒状过滤器结构复杂，生产难度大，但与六氟化铀接触面积更大，所以渗透率更高。德国专家的突破使苏联最终选择了筒状过滤器，研发工作经历了以下三个阶段。

一是筒状过滤器方案的胜出。1946年年初，苏联科学院2号实验室制定了过滤器技术规格。随后，在第一管理总局组织的全国竞标中，各单位不约而同选择了被英美核情报所证明可行的平面过滤器，共制定出6种方案，1946年8月莫斯科硬质合金综合厂研发的平面镍过滤器被选中投产【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第2册，第304～305页。】。但平面过滤器很快暴露出渗透率不足的问题，无法利用其实现高效的扩散分离，采用平面过滤器的Д-1厂分离能力相对较低。

几乎在平面过滤器研发成功的同时，位于苏呼米市的内务部А、Г研究所的德国专家们另辟蹊径，1947年8月迎来重大突破——А研究所副所长彼得·蒂森教授领导的科研团队研制出了渗透率更高的筒状镍过滤器。蒂森是一位造诣极高的物理化学家，曾任德国威廉皇帝研究院物理化学研究所长，纳粹德国投降后为苏联所招募，与自己的11名下属于1945年10月飞赴苏联参与核计划工作【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第2册，第340页。】。蒂森的筒状过滤器是用镍滤网制成的一根长约1.5米的管道，2号实验室对样品进行测试后发现完全符合要求。几乎同时，Г研究所的德国工程师雷纳尔德·赖克曼成功研制出生产成本更低的筒状金属陶瓷过滤器，赖克曼意外去世后由苏联少校工程师В.Н.叶明继续负责研发

【③④⑥ Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第4册，第666～667，660，535～536，377～378、655页。】。

但此时苏联专家内部却产生了争论。第92厂设计局的А.С.叶良少将和А.М.萨文少将反对筒状过滤器方案，理由是结构过于复杂和脆弱，不如平面过滤器方案稳妥。但基洛夫厂设计局的机械工程专家Н.М.西涅夫和Э.А.阿尔金则力挺筒状方案，因为其“更适用于高压环境，利于制造分离能力更强且工作效率更高的扩散设备”，最终基科因支持了后者。第一管理总局局长Б.Л.万尼科夫和第一副局长А.П.扎维尼亚金随即向贝利亚汇报，称筒状过滤器“对于设计和制造更强大的气体扩散设备而言是必不可少的”③。待贝利亚首肯后，筒状过滤器正式取代平面过滤器。为提高成功率，第一管理总局决定同时研发镍与金属陶瓷筒状过滤器。

二是制定生产方案。筒状镍过滤器的管壁须极薄，镍滤网的网孔直径不能超过一微米，还须承受住气态六氟化铀的强腐蚀。1948年8月，Г研究所开发了模具挤压工艺，成功将镍网孔管管壁厚度降低至0.1毫米，提高了渗透率④。蒂森针对网孔直径的解决方案是在镍板上涂抹羰基镍细粉，然后进行烧制，使每平方厘米的镍滤网中遍布7000～10 000个网孔。他还与Г研究所共同研发了氟化处理工艺，使镍滤网在材质上达到了抗腐蚀要求。筒状金属陶瓷过滤器的生产工艺同样复杂，叶明的方案是将氧化镍粉末和粘合剂混合物压制成薄壁管，然后在氢气炉中还原烧制В.Н.米哈伊洛夫主编：《研制苏联第一枚核弹》，第262页。】。在德国与苏联专家们的不懈努力下，到1949年年初两种筒状过滤器的生产方案都制定完成。

三是实现批量生产。这是苏联工厂首次生产如此精密的工业设备，蒂森与叶明都将各自的实验室搬到了车间，以便随时解决问题。最先投产的是筒状镍过滤器。1949年1月15日部长会议发布决议，命令第一管理总局直属的第12厂生产筒状镍过滤器。该厂是当时苏联技术水平最高的军工企业之一，在苏德战争期间生产过火箭弹，拥有丰富的筒状设备加工经验。但起初第12厂仍因技术不过关导致交付延误，只能先由德国苏占区的一家工厂利用苏联对外贸易部提供的原材料与设备进行生产⑥。待第12厂在蒂森团队帮助下完成技术攻关后，生产才得到恢复。到1951年年初第12厂共生产了100万根筒状镍过滤器。筒状金属陶瓷过滤器的生产任务被交给当时苏联最顶尖的稀有金属加工企业——莫斯科硬质合金综合厂，到1951年3月该厂生产了40万根筒状金属陶瓷过滤器Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第4卷，新乌拉尔斯克：TVEL燃料公司出版社2015年版，第34页。】。值得一提的是，由于生产筒状过滤器消耗的各种资源甚多，部长会议先后协调了13家部委、总局从苏联境内外供应原材料、人力与资金，确保了所需资源均能够得到足额供应。“国家最优秀的科技力量都参与了核武器的研发。苏联核计划中的资源供应几乎是无限制的，资金、物资和劳动力都能够‘按需分配’。”【Е.Т.阿尔乔莫夫、Н.П.沃罗申：“军事准备与科技进步：以苏联核计划为例”（Артемов Е.Т.，Волошин Н.П.，“Военные приготовления и научно-технический прогресс：случай Советского атомного проекта”），《经济史》（Экономическая история）2015年第1期，第46页。】

筒状过滤器应用于1950年12月投产的第813综合厂第二座扩散厂Д-3。该厂安装的过滤器中有62%为筒状过滤器【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第3卷，新乌拉尔斯克：TVEL燃料公司出版社2015年版，第120页。】，极大地提升了气体扩散设备的分离能力。采用平面式过滤器的Д-1厂分离能力仅为9857千克SWU，而Д-3厂年分离能力达到了Д-1厂的近10倍——96 036千克SWU【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第4卷，第64页。】，实现了浓缩铀的大规模生产。后续建设的第813综合厂Д-4、СУ-3厂和第816综合厂Д-6厂、СУ-1厂，均安装了筒状过滤器。

三 Н.М.西涅夫与单轴压缩机

压缩机的功能是使气态六氟化铀在扩散厂内流动，人民委员会于1945年12月27日将压缩机研制任务交给了苏联机械制造龙头企业——位于列宁格勒市的运输机器制造部基洛夫厂和位于高尔基市的军备部第92厂【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第2册，第88～90页。】。核计划启动之初，苏联科学家从核情报中了解到美国的单轴与英国的多轴涡轮压缩机方案，起初气体扩散法工程负责人沃兹涅先斯基选中了多轴方案。气体扩散设备对密封性的要求极高，否则六氟化铀渗入后会造成腐蚀。但多轴压缩机轴承与外接连接处密封不严的问题迟迟得不到解决，加之沃兹涅先斯基在1946年6月28日突发疾病去世，多轴方案难以推进。此时更易密封的单轴压缩机受到青睐，1946年11月专门委员会叫停了多轴涡轮压缩机研发工作

【⑦

Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第1册，萨罗夫：全俄实验物理学研究所出版社1999年版，第146、270～271页。】。随后在基科因的力荐下，部长会议决定试研制单轴涡轮压缩机，1947年4月第92厂的ОК-7小型单轴涡轮压缩机通过测试并投入量产【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第3册，萨罗夫：全俄实验物理学研究所出版社2002年版，第100、186页。】。同年9月，第92厂又相继研制成功了ОК-8中型、ОК-9大型单轴涡轮压缩机。而基洛夫厂的Т-15单轴压缩机在轴承可靠性上迟迟不达标，于是第一管理总局决定先为Д-1厂配备第92厂的压缩机【В.Н.米哈伊洛夫主编：《研制苏联第一枚核弹》，第265页。】。基洛夫厂后改为用第92厂提供的图纸生产ОК-8压缩机，其间该厂总设计师Н.М.西涅夫博士崭露头角，解决了一系列生产难题。他毕业于莫斯科高等技术学院（今莫斯科国立鲍曼技术大学），因战争期间在重型坦克设计领域的杰出贡献而被苏联高层重视，参与了核计划工作。西涅夫于1948年5月升任第813综合厂技术部主任，开始处理ОК系列压缩机的故障。

单轴压缩机的轴承易磨损。Д-1厂在1948年7月开始设备调试后，ОК-7、ОК-8以及ОК-9的轴承在运转中频频卡住，导致设备因内部过热而停机。轴承原本设计寿命为数百小时，磨损后只能运转几十小时，甚至发生过24小时内50台压缩机停运的事故，而更换新轴承的用时远不止24小时【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第3卷，第74页。】。面对开工即停机的窘境，西涅夫决定及时维修或更换磨损轴承，要求工人在每台压缩机的轴承附近捆绑上水银温度计，然后记录温度变化，若温度过高就证明磨损严重。他在回忆中称这是一项“痛苦的”工作，须对每一台压缩机都建档记录温度变化，没日没夜地修复或更换轴承。为防止六氟化铀纯度受影响，哪怕一台压缩机出现故障也只能将整座级联（12台压缩机组成）停运并抽出六氟化铀，况且新安装的压缩机也未必可靠。“这种费时费力的工作完全扰乱了Д-1厂的启动，是一场真正的灾难，使一些管理人员怀疑气体扩散法究竟能否成功。”

【⑨

Н.М.西涅夫：《用于核武器与核能的浓缩铀：苏联高浓缩铀技术开发与生产史（1945—1952）》，第132页。】为加快交付新轴承，专门委员会要求汽车和拖拉机工业部、运输机器制造部与军备部优先为第92厂和基洛夫厂制造压缩机轴承，由部长每月汇报一次生产进度，并派马雷舍夫、基科因等10名专门委员会成员前往生产现场监督⑦。这些行之有效的举措确保了新轴承供应。

然后是对现有轴承进行改进。六氟化铀腐蚀会加速轴承磨损，化学工业部下属的第42研究所、乌拉尔工业学院与第48厂共同研制出一种特殊润滑剂，涂抹在轴承上能隔绝与气态六氟化铀的接触

Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第4册，第482页。】。1948年8月至10月，西涅夫指挥Д-1厂的数百名工作人员连续加班两个月，连厂长、总设计师与总工程师也亲临一线，为约五千五百台压缩机更换了涂抹特殊润滑剂的新轴承。最终到1948年10月，Д-1厂所有压缩机都实现了正常运转⑨。

四 С.Л.索博列夫、古斯塔夫·赫兹与自动控制系统

气体扩散厂的级联结构高度复杂，设备一旦开动就必须确保气体流量平衡，要求每一座级联中的气体压力都保持恒定【В.Н.米哈伊洛夫主编：《研制苏联第一枚核弹》，第266～267页。】。这无法完全靠人工控制，必须研发能够自动调节气体流量的控制系统。早在第813综合厂动工建设之初，基科因就将自动控制系统列为主要科研任务之一。1946年7月29日，部长会议将该系统设计交由重型机器制造部中央涡轮机械设计局、2号实验室与第92厂设计局共同负责【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第2册，第271页。】，牵头人是库尔恰托夫在2号实验室的副手С.Л.索博列夫。索博列夫是一位天才数学家，毕业于列宁格勒国立大学数学系。20世纪30年代，他在偏微分方程组、多自变量积分微分方程组的解析解方面取得了诸多重要成果，并提出了求解二阶偏微分方程柯西问题的新方法，1939年30岁时便当选苏联科学院院士。早在战争期间他便参与了铀研究中的理论计算工作，核计划启动后他是基科因团队中的核心成员，负责计算设备研制工作，后被基科因指定为自动控制系统负责人【“索博列夫·谢尔盖·利沃维奇”（“Соболев Сергей Львович”），http：//www.biblioatom.ru/founders/sobolev_sergey_lvovich/？ysclid=lma0c00cyc196863132，[发布日期不详]/2023—10—17。】。另外，Г研究所的德国物理学家古斯塔夫·赫兹也被基科因邀请参与工作。赫兹是同位素分离领域的元老级人物，因发现电子与原子碰撞定律而获1925年诺贝尔物理学奖，曾于1933年在实验中利用气体扩散法实现了氖同位素分离【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第1卷第2册，莫斯科：莫斯科技术物理研究所出版社2002年版，第368页。】。

在20世纪40年代，工业领域的自动控制是一项刚刚起步的高精尖技术，要在复杂的气体扩散设备上实现自动控制堪称空前挑战。索博列夫的思路一是要实时监控管道中的气体流量数据，二是要对气体流量进行调节控制。为此，他设计的自动控制系统由监控器和调节器两部分组成，监控器实时获取管道中的气体压力数据，调节器根据压力情况实时调节级联系统中的气体流量，而这需要许多苏联工厂此前从未生产过的精密零部件，为此专门委员会协调了多家仪器仪表设计机构与生产厂进行定制研发与生产。但接下来的真正难点在于如何传递控制指令并收集流量数据，这需要高精度传感器，而当时苏联在此领域存在短板。难题被赫兹与苏联理论物理学家Ю.А.克鲁特科夫合作解决。他们借鉴了德国在电阻式传感器领域的技术成就，发现通过调节扼流线圈电阻值可实现对复杂装置的指令下达与即时反馈，进而实现对级联的自动控制【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第2卷，第218页；第3卷，第72页。】。索博列夫将这一成果运用于系统设计中，于1946年年底拿出了完整方案，核心零部件是监控器与调节器，由第92厂负责生产。1947年年初2号实验室利用120管道的小型级联测试了自动控制系统，运转一切正常【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第2卷，第204、271页。】。

在设计得到进一步完善后，1948年1月，第92厂、基洛夫厂、涅瓦厂与航空工业部第133厂开始批量生产自动控制系统，并由航空工业部负责为第813综合厂安装【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第3册，第301页。】。到同年7月Д-1厂开始设备调试时，自动控制系统是少有的未发生故障的设备，索博列夫的设计被证明足够可靠。在Д-1厂生产出第一批浓缩铀后不久，部长会议将他任命为第813综合厂中央实验室理论计算研究室主任【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第4册，第363～364页。】。气体扩散厂的自动控制系统是苏联在工业自动化领域的早期摸索，为后来计算机科学与工程控制论的发展起到了促进作用。索博列夫在50年代努力为被打成“伪科学”的控制论辩护，毕竟参与核计划的经历使他深刻认识到自动控制对于工业的重要性。1952年起他担任莫斯科大学计算数学系主任，1955年发起创建了苏联最强大的计算科研机构——莫大计算中心，在成立头几年其计算能力占当时苏联所有计算机总算力的10%以上。“尽管苏联计算机的出现与核计划无关，但它在核计划中获得了发展动力。”【И.А.克拉依涅娃：“苏联核计划中的索博列夫院士”（Крайнева И.А.，“Академик Сергей Львович Соболев в советском атомном проекте”），《人文矢量》（Гуманитарный вектор）2019年第6期，第78页。】

五 В.А.卡尔扎文与六氟化铀腐蚀问题

六氟化铀是气体扩散厂的原材料，是常温下唯一以气态形式存在的铀化合物，具有极强的腐蚀性，易与金属材料反应。1948年10月，Д-1厂在试生产时六氟化铀经常莫名其妙地“消失”，从级联末端流出的大都是四氟化铀粉末，铀-235浓度完全达不到要求。

起初基科因邀请了德国专家前来支援，但德国人用了几天时间熟悉Д-1厂设备后表示无计可施。起初基科因认为德国人消极怠工，后来才得知原来他们真的拿不出解决方案。正当第813综合厂领导层一筹莫展之际，1949年10月15至17日贝利亚亲自来到厂驻地。据时任第一管理总局副局长А.М.彼得罗相茨少将回忆，贝利亚用带有威胁的口气告诉基科因等专家们：国家在战后困难的条件下给了你们所需的一切，我现在有权要求你们全面完成任务，如果在3个月内完不成那就怪你们自己【В.Н.米哈伊洛夫主编：《研制苏联第一枚核弹》，第278页。】。在给专家们施压的同时，贝利亚还将Г研究所蒂森团队中的苏联化学家В.А.卡尔扎文教授调往第813综合厂任中央实验室腐蚀研究室主任，负责解决六氟化铀腐蚀问题。

出身帝俄贵族家庭的В.А.卡尔扎文是一位“百科全书式化学家”，毕业于莫斯科化学技术学院（今俄罗斯门捷列夫化工大学），曾长期从事催化研究。1946年11月参与核计划后，在Г研究所与蒂森共同研究金属在氟化介质中的腐蚀问题，开发出了多种腐蚀测量法。来到第813综合厂后，卡尔扎文先努力寻找“病因”，发现是气态六氟化铀与级联管道发生了腐蚀反应。六氟化铀分解为固态四氟化铀粉末，并在设备内壁上形成一层氟化膜，导致原料被大量浪费，级联中的气体流动也受阻，Д-1厂工作人员仅在拆除故障管道的过程中就回收了多达700克固态四氟化铀粉末【Н.М.西涅夫：《用于核武器与核能的浓缩铀：苏联高浓缩铀技术开发与生产史（1945—1952）》，第132页。】。同时ОК-7与ОК-8型压缩机安装的ДТ型驱动电机工作温度过高，级联管道的密封又不够严，外部水汽渗入设备内部后造成了湿热环境，进一步加速了六氟化铀的腐蚀反应。

在了解了六氟化铀腐蚀问题的形成机制后，腐蚀研究室的科研人员在卡尔扎文的领导下，制定出四项措施。一是防止附着。卡尔扎文采用此前在Г研究所开发的热氟化工艺，对级联管道内壁进行钝化处理，使气态六氟化铀不再与金属内壁发生腐蚀反应。二是阻隔接触，用覆有树脂涂层的陶瓷板将压缩机电机的定子与转子密封起来，使电机不与外部空气接触，从而隔绝温度扩散。三是加强除湿，用钢板将每座级联都包裹起来，再接入一座装有硅胶过滤器的大型空气干燥站。Д-1厂的工作人员们加班加点，建成了这座长宽高尺寸200×20×10米的大型装置，每小时能够干燥4万立方米空气。四是加强级联管道的密封性，防止水汽渗入。之前采用的钢管是热轧法制造的，密封性较差。起初许多科研人员倾向于采用纯镍管，但卡尔扎文从史密斯的专著中了解到美国气体扩散厂使用的纯镍管也存在密封不严的问题。于是，他带领团队与第92厂的工程师们深入合作，创新性地借鉴炮管制造工艺，用钻孔锻造法取代热轧法生产钢管，并对管道内壁进行镀镍处理，新管道在密封性能上远远超过了热轧钢管和美国人使用的纯镍管【Е.А.沙德林：《俄罗斯铀同位素分离工业史》第3卷，第75～77页。】。

上述措施的落实耗费了近一年时间，到1949年10月底，六氟化铀终于能够在Д-1厂的级联系统中无损流动，不再发生腐蚀，卡尔扎文及其团队扫除了浓缩铀生产的最后一道障碍。1949年11月，Д-1厂生产出第一批75%浓度的铀-235，经第814综合厂加工到94%的武器级浓度后，应用于1951年10月18日试爆的苏联第一枚铀钚混合装药原子弹РДС-3，标志着苏联的气体扩散法已经成熟，相关技术经受住了实践检验，后续开始大举建设新的气体扩散厂。基科因就第813综合厂工作状况进行总结汇报时自豪地指出：“毫无疑问，美国人做出的苏联无法建成气体扩散厂的预测是错误的。”【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第4册，第484页。】

六 历史影响

尽管在当今的浓缩铀生产中，气体扩散法已在80年代末被更先进的气体离心法取代，但作为苏联核技术的重大突破，气体扩散法的历史影响是深远的，具体表现在以下三个方面。

第一，间接加剧了冷战中的核军备竞赛。核军备竞赛是冷战时期苏美两个超级大国间军备竞赛的重要组成部分，以气体扩散法为核心的浓缩铀生产是这场竞赛的“助推剂”。苏联在50年代初掌握了浓缩铀与浓缩钚两种核装药的生产能力后，开始加足马力扩大产能，力图填平苏美间核力量的差距。由于铀相比于钚具有更低的临界质量、制造难度与更高的生产安全性，因此铀装药受到了更多青睐。到1954年苏联已拥有150枚核弹头，其中绝大多数是铀原子弹，装药由第813、第816综合厂提供【Ю.Б.哈里顿、А.А.布里什：“核武器”（Ю.Б.Харитон，А.А.Бриш，“Ядерное вооружение”），А.В.米纳耶夫主编：《俄罗斯武器：苏联军事力量（文集）》（А.В.Минаев，Вооружение России，Т.Ⅰ：Советская военная мощь.）第1卷，莫斯科：武器与技术出版社2010年版，第199页。】。尽管此时在数量上仍远低于美国的1750枚，但已打破了美国核垄断。与此同时，苏联拥核显然也刺激到了对手。1953年年底苏联情报机构发现美国正加紧扩大浓缩铀生产，新建了帕杜卡和朴茨茅斯气体扩散工厂，同时扩建橡树岭工厂【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第5册，第803～804页。】。作为回应，苏联持续提升浓缩铀产能，扩建了第816综合厂，并在伊尔库茨克州新建了安加尔斯克电化学综合厂，总投资达75亿卢布，到1958年全苏浓缩铀日产能已达31.5公斤，已经是1950年底苏联气体扩散工业生产初步成熟时的24倍，在充沛的浓缩铀供应下，苏联核弹头数量超过了660枚【Л.Д.里亚别夫主编：《苏联核计划：文献资料》第2卷第5册，第803～804页；Ю.Б.哈里顿、А.А.布里什：“核武器”，第199页。】。浓缩铀产能的提升使苏联核力量羽翼丰满，到20世纪50年代末开始“以核制核”地应对美国的核部署【赵万鑫、张广翔：《冷战、核军备竞赛与苏联核中心的活动——以核研究与核部署为中心》，《华东师范大学学报》2022年第3期，第66页。】。

第二，助推了和平利用原子能事业。1954年起第813综合厂开始生产用作核反应堆与舰船核动力装置燃料的低浓缩铀

【⑦“‘乌拉尔电化学综合厂’股份公司发展简史”（“История УЭХК”），http：//www.ueip.ru/AboutCompany/Pages/history.aspx，[发布日期不详]/2023—10—17。】。同年6月26日投产的世界上第一座商用核电站——奥布宁斯克核电站就装载了第813综合厂生产的560公斤浓度为5%的低浓缩铀【Ю.В.库济明：“从政权设施到博物馆：奥布宁斯克核电站的历史”（Кузьмин Ю.В.，“От режимного объекта к музею：к истории Обнинской АЭС”），《自然科学与技术史问题》（Вопросы истории естествознания и техники）2019年第2期，第267页。】。1973年，第813综合厂开始进军国际市场，向几乎所有拥有核电站的国家供应低浓缩铀⑦。另外，1957年12月苏联建成下水了世界上第一艘核动力舰船——“列宁”号破冰船，于1959年12月7日首航，比美国第一艘核动力舰船“长滩”号导弹巡洋舰早了两年多时间。“列宁”号ОК-150型核动力发动机使用的燃料，正是第813综合厂生产的5%低浓缩铀“第一艘核动力破冰船”（“Первый ледокол с атомной энергетической установкой”），https：//www.biblioatom.ru/archievements/pervyj-ledokol/？ysclid=lvetr2vm5z670019246，[发布日期不详]/2023—10—17。】。

第三，为苏联和后来的俄罗斯联邦留下了丰厚的“核遗产”。曾经的气体扩散厂今天仍是俄罗斯重要的核燃料生产企业，维系着核工业运转并为国家赚取外汇。第813综合厂于1953年划归中型机器制造部管理，1975年更名为乌拉尔电化学综合厂，今天隶属于俄罗斯国家原子能集团旗下的TVEL燃料公司，安加尔斯克电化学综合厂与第816综合厂现也隶属于该公司。TVEL是俄罗斯核工业体系中的骨干成员，也是重要的出口创汇企业，中国与俄罗斯在福建霞浦合作建设的CFR-600快中子反应堆便由该公司提供核燃料【“俄政府允许俄原子能集团向中国出口铀丰度达30%的核燃料”，https：//sputniknews.cn/20230503/1050025294.html，2023—05—03/2023—10—17。】。第816综合厂今名为西伯利亚化工综合厂股份公司，是世界上少数能够将乏燃料再处理为浓缩铀的企业，法国全部核电站的乏燃料回收均依赖该公司【“俄罗斯拥有世界上唯一对法国核电厂的乏燃料进行后处理的工厂”（“В России есть единственный в мире завод по переработке отработанного урана с французских АЭС”），https：//inosmi.ru/20221129/uran-258341783.html，2022—11—29/2023—10—17。】。2019年以来西伯利亚化工综合厂股份公司还积极参与了谢韦尔斯克社会经济超前发展区的建设【“‘西伯利亚化工综合厂’股份公司发展简史”（“История СХК”），http：//atomsib.ru/%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D1%81%D1%85%D0%BA，[发布日期不详]/2023—10—17。】。

收稿日期 2023—12—20

作者师成，吉林大学东北亚研究中心博士研究生；张广翔，历史学博士，吉林大学东北亚研究中心教授。吉林，长春，130012。

The Gaseous Diffusion Method，the Uranium Enrichmentand the Soviet Nuclear Industry，1945—1964

Shi Cheng and Zhang Guangxiang

From 1945 to 1964，the Soviet Union established the uranium enrichment industry based on the gaseous diffusion method.German specialists successfully developed cartridge filters，which greatly increased the separation capacity of gaseous diffusion plants.Mechanical expert N.M.Sinev improved the wear-resistance of single-axis compressor bearings，which enabled the stable operation of the gaseous diffusion plant.Mathematician С.L.Sobolev and physicist Gustav Hertz designed an automatic control system，which was the first Soviet practice in the field of automatic control of complex systems.Chemist V.A.Karzavin solved the problem of spontaneous decomposition of uranium hexafluoride by improving the equipment of the diffusion plant，removing the last obstacle to industrial production of gaseous diffusion.The solution of the above-mentioned problems marked the Soviet Union’s mastery of enriched uranium production capabilities.On the one hand，the Soviet Union’s uranium enrichment research and development activity intensified the US-Soviet nuclear arms race.On the other hand，it promoted the development of the peaceful use of atomic energy and left a rich “nuclear legacy” for today’s Russia.

Soviet Union；Gaseous Diffusion Method；Uranium Enrichment;Nuclear Arms Race

【责任编校 周祥森】