25 декабря 1946 года в «Лаборатории №2» был запущен первый в Советском Союзе экспериментальный ядерный реактор Ф-1, или «Физический первый». Руководитель проекта Игорь Курчатов написал в официальном докладе: «В результате большой и напряженной работы, проведенной коллективом в течение июля 1943 — декабря 1946 года, удалось 25 декабря 1946 года в 18 часов впервые наблюдать цепную саморазвивающуюся реакцию в осуществленном надкритическом уран-графитовом котле с практически полным и, по-видимому, самым рациональным использованием всех изготовленных к этому времени урановых и графитовых блоков».
Операторы ядерного реактора Ф-1
Фото: Игорь Зотин / Фотохроника ТАСС
Как оказалось, самым сложным было не сконструировать и запустить ядерный реактор. Намного труднее было создать и внедрить технологию производства расщепляющихся материалов и других компонентов реактора невиданной ранее степени очистки.
Наличие примесей приводило к тому, что цепная реакция прекращалась. Над решением задачи очистки и обогащения трудились химики и физики из разных институтов: Института физических проблем (ИФП АН СССР), Физического института (ФИАН), Института физической химии (ИФХ АН СССР, ныне ИФХЭ РАН), Института редких металлов («Гиредмет») и т. д.
Атомный проект стал поводом к ускоренному развитию аналитической химии и одного из ее направлений — хроматографии.
Что такое хроматография
Хроматография — это физико-химический метод разделения смеси веществ на составляющие. В хроматографической колонке взаимодействуют две фазы: неподвижная (сорбент) и подвижная (протекающая через него жидкость или газ).
Смесь, которую следует разделить, вместе с подвижной фазой перемещается через сорбент. От того, как компоненты смеси взаимодействуют с подвижной и неподвижной фазами, от их адсорбируемости и растворимости, зависит скорость их перемещения вдоль колонки. Как стартовавшая одновременно велогонка растягивается вдоль трека в зависимости от мастерства спортсменов, так и смесь веществ растягивается вдоль колонки. Одни молекулы задержатся в верхнем слое сорбента, другие «доползут» до нижнего, а третьи покинут колонку раньше остальных вместе с подвижной фазой.
Таким образом смесь удается разделить.
Этот метод был впервые продемонстрирован в 1903 году русским ученым Михаилом Цветом, который дал ему название «хроматография», то есть «цветопись», элегантно зашифровав в названии собственную фамилию.
Хроматография — 40 лет спустя
В 1946 году в Нью-Йорке прошла физико-химическая конференция, посвященная 40-летию хроматографии.
В некоторых докладах упоминалось об успешном применении этой методики для задач манхэттенского и плутониевого проектов по созданию атомной бомбы. В то время хроматографический метод казался очень перспективным как способ выделения и обогащения расщепляемых материалов (но в итоге вместо него были выбраны чисто физические методы — газовая диффузия и электромагнитное разделение). О недавно секретных темах на конференции разговаривали открыто: возможно, таким способом США демонстрировали свои лидирующие позиции в освоении атомной энергии. Материалы конференции были опубликованы, а часть статей переведена на русский язык и издана в сборнике «Хроматографический метод разделения».
Академию наук СССР в те годы возглавлял физик Сергей Иванович Вавилов. Он понимал значение хроматографии и как фундаментальной науки, и как прикладного метода для народного хозяйства и военной промышленности. Вавилов передал вопрос в ведение академика-секретаря отделения химических наук АН СССР Михаила Михайловича Дубинина. В результате в ИФХ АН СССР (ныне — ИФХЭ РАН) была создана лаборатория хроматографии, которая координировала хроматографические исследования во всесоюзном масштабе. Через некоторое время внутри лаборатории хроматографии выделилась группа, которая занималась хроматографией радиоактивных элементов. С 1974 года она была преобразована в лабораторию хроматографии радиоактивных элементов.
Хроматография для разделения радиоактивных отходов
Первый в СССР радиохимический комбинат «Маяк» создавал большие объемы радиоактивных отходов, и проблема загрязнения озера Карачай встала еще в 50-е годы ХХ века.
Продукты деления урана насчитывают около 300 изотопов. Среди них есть долго- и короткоживущие, низко- и высокоактивные. Чтобы иметь возможность их законсервировать, в первую очередь эту смесь требовалось разделить.
Лаборатория хроматографии радиоактивных элементов ИФХЭ РАН с момента своего основания вела работы над оптимизацией обращения с радиоактивными отходами комбината «Маяк».
Методы ионнообменной хроматографии являются чрезвычайно эффективными при выделении высокоактивных радионуклидов и близких по свойствам элементов. Большое значение имеет необходимость дистанционного управления процессом, потому что хроматографическое разделение происходит в условиях воздействия ионизирующего излучения.
Поскольку в радиоактивных отходах долгоживущие и высокоактивные изотопы могут присутствовать в микроколичествах, которые тем не менее будут создавать значительное ионизирующее излучение, такие изотопы необходимо полностью отделять от других компонентов смеси. В ИФХЭ РАН для этого создан принципиально новый метод с использованием интеркаляторов (ионов цветных металлов), которые при разделении смеси в хроматографической колонке вклиниваются между зонами различных компонентов и отделяют зону одного компонента от другого.
В лаборатории разработали и внедрили на «Маяке» технологии выделения различных радионуклидов из растворов отработавшего ядерного топлива: цезия-137, стронция-90, самария-151, кюрия-244, америция-241 и -243, прометия-147 и других. Также была разработана технология очистки радиоактивных сточных вод «Маяка» с помощью керамических ультрафильтрационных мембран с производительностью до 120 тыс. кубометров в год.