钚-239的生產與蘇聯核計劃

摘 要：? 蘇聯核計劃中使用的核裂變材料主要有钚-239和鈾-235，其中钚-239的生產率先取得成功，1949年8月29日蘇聯試爆的第一顆原子彈РДС-1所使用的核裂變材料便是钚-239。1949年之前，钚-239的生產具有試驗性特征，1949年之后，钚-239進入了工業規模化的生產階段。在钚-239的工業生產階段，反應堆技術、放射化學技術和化學冶金技術都不斷完善，實現了產能提高、成本下降、安全生產等目標，形成了完善的钚工業綜合體，不僅為俄羅斯聯邦留下了豐厚的钚產品，還為其钚-239的生產奠定了堅實基礎。

關鍵詞： 蘇聯核計劃;钚-239;反應堆技術;放射化學技術;化學冶金技術

蘇聯核計劃實施過程中使用的核裂變材料主要有钚-239和鈾-235，它們的順利生產是研制核武器最關鍵、難度最大的環節之一。蘇聯核計劃的學術負責人И.В.庫爾恰托夫（И.В.Курчатов）曾反復強調，研制核武器的主要困難在于钚-239和鈾-235的生產。① 為了節省時間，政府決定同步生產钚-239和鈾-235。鑒于美國已試爆的原子彈是钚彈，故蘇聯在政策上更傾向于加緊钚-239的研制。據已解密檔案顯示，自1945年8月20日核計劃全面啟動到1949年8月29日РДС-1②

成功試爆，專門委員會③

共召開了90多次會議，其中有50余次會議涉及生產钚-239的817綜合廠，④

解決了與其選址、設計、建設和調試有關的80余個問題。⑤

蘇聯在钚-239的生產領域率先取得成功，實現了從無到有的突破。1949年之后，蘇聯在钚-239的生產上仍面臨著提高產量、降低生產成本、實現安全生產等重任。據統計，1950—1953年間，專門委員會召開了15次會議，僅與817綜合廠有關的議題就達到50余個。⑥

1953年6月專門委員會被取締后，钚-239的生產移交給了蘇聯中型機械制造部，在其領導下繼續擴大生產規模、完善生產技術。關于РДС-1試爆之前與钚-239生產有關的問題，筆者在《蘇聯趕超型的核工業發展政策——以烏拉爾地區為例》《蘇聯核裂變材料的生產與核計劃的實施（1945—1949）》《蘇聯計劃中的核保密城市研究（1945—1953）》

張廣翔、張文華：《蘇聯趕超型的核工業發展政策——以烏拉爾地區為例》，《俄羅斯研究》，2018年第5期;張文華、張廣翔：《蘇聯核裂變材料的生產與核計劃的實施（1945—1949）》，《史學集刊》，2019年第5期;張文華：《蘇聯計劃中的核保密城市研究（1945—1953）》，博士學位論文，吉林大學，2019年。等論著中已詳細闡述，本文重點關注1949年之后钚-239生產的相關問題，根據俄羅斯最新解密的檔案

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年之后蘇聯在钚-239生產方面取得的技術突破，及其在工業規模化生產方面取得的成就。

一、反應堆技術的發展

钚-239在自然界中并不存在，需要利用核反應堆中產生的中子打擊鈾-238，其生成物衰變后形成钚-239，然后再利用化學方法將钚-239從鈾-238中分離出來。由此可見，生產钚-239最重要的環節就是建成反應堆。反應堆的技術方案主要有鈾—石墨反應堆（以下簡稱石墨堆）、鈾—重水反應堆（簡稱重水堆）和鈾—輕水反應堆（簡稱輕水堆）。1949年之前，蘇聯以發展石墨堆為主，重水堆和輕水堆處于試驗研究階段;1949年之后，石墨堆仍處于主導地位，但重水堆和輕水堆已付諸生產實踐。

1.石墨堆

石墨堆即以石墨作為核反應堆中中子減速劑的反應堆。1945—1949年間，蘇聯在817綜合廠建造并投產了第一座A石墨堆，其鈾棒采用垂直放置方案，克服了美國水平放置方案工藝管道結構構件容易變形的弊端，首創了工藝管道的垂直結構，使得石墨堆的效能大大增強，成為蘇聯的第一代反應堆。然而其產能過低，A石墨堆的钚產量約為100克/天。

Шубарина Л.В.Становление и развитие оборонно-промышленного комплекса на Урале：1945-1965 гг.Челябинск：Челябинский государственный университет，2011.C.92.為了提高钚的生產能力，1948年7月17日第一管理總局下達第276cc/оп號命令，決定在817綜合廠再建一座高效的AB-1石墨堆，計劃產量是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石墨堆的復制品，它們的研究團隊幾乎相同：理論研發單位都是2號實驗室，

2號實驗室以往也譯作“第二實驗室”，是核武器的理論研究中心。整體結構設計單位都是第11國家特種工程設計院，各個特殊單元和系統的設計委托給重工業企業建設部下屬的鋼結構設計院和電氣安裝中心，以及電站部下屬的全蘇熱工研究所和熱電公司。鑒于A石墨堆的設備制造和安裝單位——化學機械制造研究所的工作存在積壓，АВ-1石墨堆的設備制造和安裝由裝備部下屬92廠（也稱高爾基機械制造廠）負責。為此，92廠成立了專門設計局負責核工業設備的研發。AB-1石墨堆于1950年4月投入使用。與此同時，817綜合廠又新建了AB-2（1951）、AB-3（1952）、ИР-АИ（1951）三座類似的石墨堆。其中，AB-2和AB-3反應堆的主要技術設備由烏拉爾奧爾忠尼啟則重型機械制造廠研制，電氣設備由波多里斯克機械廠研制，而ИР-АИ反應堆主要借鑒了A石墨堆的技術經驗。就用途而言，AB-1、AB-2石墨堆僅用于生產钚-239，AB-3和ИР-АИ石墨堆可以生產钚-239和核聚變材料氚。它們是蘇聯的第二代反應堆，與第一代反應堆一樣，都是垂直型反應堆。但與第一代反應堆相比，它們的生產效率更高，且安全性能更好。

但僅由817綜合廠一家工廠進行钚-239的生產，產量不能完全滿足國家的需要。因此在20世紀50年代中葉之后，政府又在西伯利亞地區新建了816綜合廠和815綜合廠。816綜合廠的第一座反應堆是И-1（1955），其設計與第二代反應堆類似。但這兩家新綜合廠主要使用的是第三代反應堆，其中第一座投產的是ЭИ-2反應堆，它于1958年初在816綜合廠投入運行。到20世紀60年代，816綜合廠又投產了改良版的АДЭ-3（1961）、АДЭ-4（1964）、АДЭ-5（1966）反應堆。與此同時，815綜合廠相繼投產了АД（1958）、АДЭ-1（1961）、АДЭ-2（1961）反應堆。第三代反應堆是兩用反應堆，不僅可以生產钚-239，還可以產生熱能和電能，滿足周邊城市居民取暖和用電的需求。與第一代和第二代反應堆采用傳統的單回路冷卻系統不同，第三代反應堆采用的是雙回路冷卻系統。

2.重水堆和輕水堆

РДС-1試爆成功之后，817綜合廠除了新建石墨堆、改進石墨堆的技術以增加钚產量之外，在重水堆和輕水堆的研究方面也有了實質性的突破，從試驗階段過渡到實踐階段。

重水堆與石墨堆的工作原理基本相同，只是中子減速劑不同。重水堆是用重水作為中子減速劑的核反應堆。1945年12月1日，蘇聯科學院成立3號實驗室，專門負責研究重水問題，學術負責人是А.И.阿里漢諾夫（А.И.Алиханов）院士，助手是В.В.弗拉基米爾斯基（В.В.Владимирский）。同時，政府命令化學工業人民委員會下屬的奇爾奇克制氮廠生產重水，1948年底該廠的重水生產達到了計劃設定水平。1949年3號實驗室的實驗重水堆達到臨界狀態，至此，蘇聯建造工業重水反應堆的時機已成熟。1949年6月，817綜合廠開始建設ОК-180重水堆。1950年夏至1951年秋，ОК-180進入安裝、調試階段。1951年10月17日，ОК-180重水堆正式啟動，阿里漢諾夫院士和弗拉基米爾斯基親自負責監督，計劃產能為28千克/年。

Рябев Л.Д.（общ.ред.）Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Книга 5.C.717.此后，817綜合廠又有ОК-190（1955）、ОК-190М（1966）、柳德米爾重水堆（1988）相繼投產。其中，ОК-180、 ОК-190和ОК-190М三座重水堆主要生產钚-239，而柳德米爾重水堆主要生產氚及其他同位素產品。此外，鑒于重水生產的成本比較高昂，1979年817綜合廠還投產了一座魯斯蘭輕水堆，它是利用經過凈化的普通水作為中子減速劑和冷卻劑的反應堆，主要用以生產氚。蘇聯時期，僅817綜合廠建有重水堆和輕水堆。

綜上所述，817綜合廠、816綜合廠和815綜合廠先后投產了18座反應堆。除了生產钚-239之外，AB-3、ИР-АИ、柳德米爾和魯斯蘭反應堆還可生產氚。這表明，在РДС-1試爆成功之后，氫彈的研制提上日程，反應堆承擔了生產核聚變材料的任務。此外，柳德米爾與魯斯蘭反應堆還可以生產钚-238、鈷-60、碳-14、銥-192等同位素產品。由此可見，817綜合廠是一家可以同時生產核裂變材料钚-239、核聚變材料氚和各種同位素的大型綜合廠。

石墨堆、重水堆和輕水堆三種類型的反應堆各有優缺點：石墨具有高熔點、穩定、耐腐蝕等優點，故石墨堆運行穩定、造價相對便宜、技術難度不大，可以大規模生產钚-239，但石墨堆對石墨純度要求非常高。相對于石墨堆，重水堆的優點是對核燃料（低濃縮鈾）的需求量相對較少，且有效利用率高，產量也相對較高。如ОК-180使用的低濃縮鈾僅是A石墨堆的1/10，但钚-239的產量卻是后者的2倍。重水堆的缺點是重水的生產成本較高，對主電路設備的精密度要求非常高，操作難度較大。與重水相比，輕水生產的成本較低，且其減速效率也很高。由于輕水的減速能力及載熱能力都較好，所以輕水堆的結構緊湊、堆芯體積小且功率密度大，故在體積相同時，輕水堆功率最高。此外，輕水堆核燃料的有效利用率也是重水堆的4～6倍。基于上述特點，輕水堆具有基建費用低，建設周期短等優點。然而輕水沸點低，比重水和石墨更容易吸收熱中子，所以輕水堆無法以天然鈾維持鏈式反應。就技術難度而言，輕水堆雖低于重水堆，但高于石墨堆。隨著反應堆技術的改進，這三類反應堆的燃料利用率、產能和安全性能都有大幅度提升。

二、放射化學技術的發展

放射化學廠的主要任務是利用放射化學的方法從輻照鈾中分離出钚-239，并清除裂變中產生的衍生物和雜質。放射化學生產被公認為是對環境和生物最危險的生產活動之一，蘇聯的第一座放射化學廠是817綜合廠的Б化學冶金廠（以下簡稱Б廠）。經過蘇聯科學家不斷的技術探索，放射化學技術日趨完善。

蘇聯放射化學技術的研發始于蘇聯科學院鐳學研究所。

鐳學研究所于1922年成立，最初負責研發從鈾礦中提取鐳的工業技術。1943年4月，政府委托其研發從輻照鈾中分離钚的技術。1945年，專門委員會下屬的技術委員會委托其研究钚的化學性質。為了盡快完成該任務，1945年12月鐳學研究所成立了三支平行的科研團隊，同時研發各種技術方案：В.Г.赫洛平（В.Г.Хлопин）院士領導的團隊負責研究醋酸鹽—氟化法分離鈾和钚;А.А.格林貝格（А.А.Гринберг）院士領導的團隊負責研究草酸鹽和亞硝基苯胲胺的銨鹽分離法，測試磷酸鉍方案;Б.А.尼基京（Б.А.Никитин）院士領導的團隊負責測試將乙醚作為萃取劑的萃取法。

Сохина Л.П.Страницы истории радиохимического завода производственного объединения瘙爯Маяк瘙爲.Озрск：Издательство тип.ПО “Маяк”，2000.C.6-7.此外，普通化學與無機化學研究所的И.И.切爾尼亞耶夫（И.И.Черняев）院士領導的團隊負責研發從鈾塊中提取钚的碳酸鹽方案。其中，赫洛平院士的方案得到業內同仁的普遍支持。為了驗證該技術的可行性，第9科學研究所建造了5號實驗裝置。1946年，5號實驗裝置初步驗證了醋酸鹽—氟化法的可行性。采用醋酸鹽—氟化法不需要特別復雜的儀器設備，使用的試劑在蘇聯國內可以獨立生產。基于此，蘇聯放射化學家普遍認為，醋酸鹽—氟化法生產成本較低且較為可靠。因此，第一管理總局科技委員會決定將醋酸鹽—氟化法作為Б廠設計和建造的基礎，而磷酸鉍法和乙醚萃取法作為備用方案繼續研發。

在運行的最初階段，Б廠主要依靠醋酸鹽—氟化法純化钚。為了確保正常運行，1948年8月來自鐳學研究所、第9科學研究所、國家應用化學研究所等機構的尼基京（組長）、А.П.拉特納（А.П.Ратнер）、Б.П.尼古利斯基（Б.П.Никольский）、А.П.維諾格拉多夫（А.П.Виноградов）、Я.И.西爾伯曼（Я.И.Зильберман）、В.М.弗多文科（В.М.Вдовенко）、М.В.格拉德舍夫（М.В.Гладышев）、Б.В.庫爾恰托夫（Б.В.Курчатов）、

此人為И.В.庫爾恰托夫的胞弟。Г.В.阿基莫夫（Г.В.Акимов）等人組成了“九人小組”，為Б廠投產做各項技術準備工作。同年初秋，許多化學家離開實驗室，來到Б廠的生產現場，具體解決生產過程中出現的問題。在1948—1952年間，尼基京實際負責Б廠的生產工作，對于钚的放射化學生產做出了卓越的貢獻。

這一過程中，最復雜的難題是防腐蝕性問題，因為氟的化學侵蝕性很高，設備和管道被大量腐蝕，導致高放射性氣體泄漏。1944—1945年美國核工廠的生產人員承受核輻射的允許劑量為0.01雷姆/天，而1947—1948年蘇聯的允許劑量是0.1雷姆/天，

雷姆即生物倫琴當量。Гровс Л.С.Теперь об этом можно рассказать：Пер.с англ.М.：Атомиздат，1964.С.93.即便如此，Б廠的工作人員仍承受著超允許劑量的輻射。很多工人患上慢性職業病，這種狀況直到50年代中期都未有改觀。阿基莫夫領導蘇聯科學院物理化學研究所的科學家們為攻克此項難題，提議使用涅鉻合金、鉑金、黃金等貴金屬作為防腐蝕材料，然而實踐證明貴金屬并沒有抗腐蝕性。鑒于此，И.В.塔納納耶夫（И.В.Тананаев）院士建議，采用有機玻璃材料。然而在高輻射的環境下，有機玻璃迅速老化，抗腐蝕的研究之路仍任重道遠。在這種惡劣的生產條件下，Б廠生產的最終產品含有各種微量污染物。實踐證明，使用醋酸鹽—氟化法純化钚既昂貴又不安全。因此，到1948年底，Б廠又開辟了一條新的技術路線——乙醚萃取法。醋酸鹽—氟化法和乙醚萃取法兩條技術鏈同時運行。1949年2月，Б廠借助上述兩種方法生產出了第一批硝酸钚溶液。然而乙醚的燃點是36攝氏度，具有易燃性，利用此種方法進行生產極易發生爆炸，且獲得的最終產品具有高輻射性，因此，放射化學廠仍面臨著技術改進的艱巨任務。在這些技術缺陷尚未徹底解決之前，Б廠配備了大量復雜的測量和監控裝置，以便遠程控制和監測生產過程。

20世紀50年代初，蘇聯專家Б.В.戈洛莫夫（Б.В.Громов）、拉特納和Г.Н.切馬林（Г.Н.Чемарин）合作研發出了新型的乙酸鹽沉淀法，取代了醋酸鹽—氟化法和乙醚萃取法。為此，根據1953年7月25日蘇聯部長會議第1955-810сс號決議，817綜合廠新建了ДБ放射化學廠（以下簡稱ДБ廠）。

Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.5.C.567.ДБ廠于1959年9月投產，它不僅在生產效率上提高了一倍多，還解決了廢棄物的排放問題。ДБ廠在投產后取代了第一代放射化學廠。與此同時，Б廠引進了乙酸鹽沉淀技術，基本解決了钚增產過程中存在的生產效率低和成本高的問題。總體來看，乙酸鹽沉淀法通過兩次沉淀，有效實現了雜質與母液的分離。同時，它使用堿性蘇打溶液代替氫氧化鈉溶液，大大減少了昂貴試劑的消耗，降低了生產成本。但是它對溫度、攪拌效率、溶劑濃度和反應介質的PH值，以及操作人員的技術都有較高的要求。

20世紀60年代初，ДБ廠再次進行技術革新，乙酸鹽沉淀法被吸附法所取代。吸附法的工作原理主要是基于離子交換樹脂對钚的選擇性吸收，它的使用不僅大大提高了最終產品的純度，還減少了放射性雜質的產生，極大地提高了最終產品的質量。然而吸附法也存在安全隱患，例如1965年817綜合廠吸附塔爆炸事件。此后，蘇聯專家再次利用40年代后期就已經使用過的萃取技術結合磷酸三丁酯萃取法，形成了一種新的技術方法，即普雷克斯流程（Purex Process）。它是對核反應堆乏燃料后處理的一項比較先進的技術方案，目前俄羅斯的放射化學廠仍在廣泛使用。與此同時，Б廠再次面臨產量低和技術落后的問題，最終被關閉。隨后，蘇聯在Б廠原有廠房基礎上建造了РТ-1放射化學廠（以下簡稱PT-I廠），于1976年投入運行。РТ-1廠采用普雷克斯流程，擁有兩條生產線，一條生產線旨在提升最終產品二氧化钚的產量和質量，另一條用于從廢核燃料中提取鈾-235和钚-239，實現廢物的回收再利用。此外，РТ-1廠工人的工作環境也顯著改善，60年代之后基本沒有員工患慢性職業病。

西伯利亞地區的兩家綜合廠也都建有放射化學廠。1956年816綜合廠投產了自己的放射化學廠，1972年815綜合廠投產了РТ-2放射化學廠（以下簡稱PT-2廠）。在技術層面上，它們基本上借鑒了817綜合廠的經驗，80年代之前基本上使用乙酸鹽沉淀法，80年代之后普遍采用普雷克斯流程。

三、化學冶金技術的發展

化學冶金廠的任務是對從放射化學廠移交的钚溶液進行化學反應后處理（即精煉），從钚溶液中獲得金屬钚，并通過機械鑄造法制成原子彈的核裝藥。實現化學冶金生產的復雜性在于需同時掌握幾種不同的工業技術，如化學精煉、冶金、氯化、機械加工等，每種技術都要進行長期的科學研究，以及高度密集的勞動。蘇聯的第一座化學冶金廠是817綜合廠的B化學冶金廠（以下簡稱B廠）。钚的化學冶金生產有三個主要步驟：第一步是精煉，分離雜質、深度凈化钚，獲得光譜純度的二氧化钚;第二步是對二氧化钚進行氯化并獲得氯化物，然后加工成钚錠;第三步是把钚錠中的夾渣清除，鑄造成钚合金錠。

1947—1948年蘇聯的化學冶金技術處于試驗研究階段，1949年實現了工業環境下的試驗生產。第9科學研究所是B廠的總設計單位，國立稀有金屬工業科學研究設計院、莫斯科卡里寧有色冶金和黃金研究所、蘇聯科學院普通化學與無機化學研究所負責钚冶金的研究，金屬钚加工方法和零件鍛造的方法委托給著名的冶金學家А.А.博奇瓦爾（А.А.Бочвар）院士負責。值得注意的是，И.В.庫爾恰托夫、М.Г.別爾烏辛（М.Г.Первухин）等人將德國科學家N.里爾（N.Riehl）博士推薦給貝利亞，但由于政治等原因里爾的相關科研建議并未被817綜合廠采用。在這一階段，蘇聯科學家掌握了一種新型的冶金技術，即微冶金，科學家制造出了直徑為6～8毫米的微型坩堝。借助這一技術，科學家明確了钚-239的化學性質，為實現工業規模的生產奠定了基礎。1949年8月5日，B廠為РДС-1加工出了足夠量的钚裝藥，并通過了第11設計院

第11設計院是原子彈的結構設計單位，也是負責最終組裝的單位。的質量驗收。

20世紀50—60年代，蘇聯的化學冶金生產具有試驗性特點，仍需不斷進行技術改進，以提高生產效率、實現安全生產。首先，建設獨立的冶金廠。817綜合廠有三種功能和性質迥異的分廠，然而運行之初它們卻位于同一棟大樓，沒有合理的功能分區，導致生產設備被隨意放置，有放射性危害的物質不能按標準封閉儲存。1960年，蘇聯建成了功能齊全、設備先進的化學冶金廠，于1961年2月正式投產;其次，改進技術。在氯化過程中，用馬弗爐代替低性能的石英安瓿瓶。在還原和冶煉過程中，引入了新熔爐和新反應坩堝。就氣體清潔系統而言，安裝了由彼得里亞諾夫布（Ткани Петрянова）由蘇聯科學家伊戈里·瓦西里耶維奇·彼得里亞諾夫—索羅維約夫（Игорь Васильевич Петрянов-Соколов）發明。它幾乎可以過濾任何大小的顆粒，超過5微米的大顆粒基于篩網原理被過濾，納米顆粒過濾則是基于粘附性（顆粒黏附在過濾纖維上）或自黏性。新冠病毒暴發后，俄羅斯用彼得里亞諾夫布制作口罩，并認為它可以有效防止新冠病毒感染者在說話、咳嗽和打噴嚏時，將氣溶膠噴入周圍空氣。制成的過濾器，以及用玻璃纖維制成的自清潔過濾器，兩級氣體清潔系統便于凈化排放物氣體。目前，俄羅斯聯邦原子能集團公司旗下的公司仍在廣泛應用這些過濾器;最后，簡化了钚的精煉工序。1959年9月，ДБ廠投產，它采用了最新的萃取和吸附法以替代過時的醋酸鹽法和乙醚萃取法。與Б廠相比，ДБ廠的最終產品不再是高放射性的硝酸钚溶液，而是標準的二氧化钚，因此钚精煉工序得以簡化，這曾是輻射最嚴重、浪費最多的一道工序。然而，冶金廠仍存在核廢料堆積過多的問題，所有車間的倉庫、地下室，以及先前的鍋爐房都裝滿了核廢料，從而導致1957年發生克什特姆核事故。到60年代初，核廢料已經囤積了1000余噸，

1957年克什特姆核事故之后，817綜合廠致力于高放射性核廢液玻璃化，在20世紀60—80年代的20多年間，817綜合廠成功掌握了高放射性液體玻璃化的技術，保護了生態環境，減少了處理和存儲的成本。Коростелёв Н.Н.Хроника становления и развития химико-металлургического производства плутония на производственном объединении瘙爯Маяк瘙爲：К 60-летию создания на瘙爯Маяке瘙爲 производства металлического плутония.Озёрск：[б.и.]，2008.C.66.該問題的解決已迫在眉睫。

20世紀60年代，化學冶金技術進行了根本性的調整，基本解決了核廢料和核輻射的問題。技術調整分兩個步驟進行：第一個步驟是為了對核廢料進行再加工而研發新的技術鏈，為此817綜合廠的設計部門開發了新的钚冶金裝置——10號裝置，以及新的核廢料處理裝置——11號裝置。10號裝置是更先進的化學冶金設備。在氯化過程中，它采用了金屬結構材料。最初所使用的石英和馬弗爐等材料易碎，60年代初莫斯科玻璃研究所研制出新材料——西塔爾（Ситалл）

西塔爾是一種玻璃狀的結晶材料。該材料在實驗室條件下合成，其與鋁硅酸鹽玻璃的成分類似。，雖然它對钚的吸收較少，但仍易碎;60年代中期，冶金學家發現了耐腐蝕材料——鎳基合金，并將其運用在氯化生產中，用低溫煅燒的方式獲得易氯化的二氧化钚。新材料的使用使氯化時間縮短了一半，提高了氯化度，保障了氯化物的質量。在還原和熔煉過程中，放棄過去所使用的電阻爐（裝有加熱線圈），引入高頻感應加熱爐，使冶煉規模擴大了一倍以上，金屬钚的純度明顯提高，大幅度減少了核廢料的產生，降低了钚的損失。在鑄造和機械生產過程中，引入壓塊工藝，減少了钚屑和核廢料的產生。在真空精煉過程中，采用將金屬從坩堝晶格中倒入坩堝接收器的方法。為此，В廠的專家們還研制出了可重復使用的金屬陶瓷坩堝。10號裝置的投入使用，不僅提高了钚合金錠的純度和質量，還大大提高了钚溶液的有效利用率和總回收率，使核廢料殘余大為減少，而11號裝置的成功啟動基本解決了處理核廢料的問題。隨著10號、11號裝置的投入使用，冶金廠的產能大大增加。新設備的使用雖一定程度上改善了工作環境中的空氣質量，但離標準空氣質量仍有很大差距。在操作區，空氣污染程度達到最大允許濃度（ПДК）的2～10 倍，在維修區則達到最大允許濃度的10～50倍。

Коростелёв Н.Н.Хроника становления и развития химико-металлургического производства плутония на производственном объединении瘙爯Маяк瘙爲：К 60-летию создания на瘙爯Маяке瘙爲 производства металлического плутония.C.87.

第二個重要步驟是處理現有核廢料和以往的殘留核廢料，在此基礎上，創建封閉式循環系統。最終，817綜合廠的專家們研發出了以下裝置：18號裝置，用于處理難溶性及其他類似廢料;12號裝置，用于從石英或玻璃的破碎物，以及石墨、陶瓷、金屬和橡膠的廢料中沖洗钚;17號裝置，用于分解和包裝來自存儲場所的廢料;11號設備，增加了用于處理金屬和“富”钚廢料的附加裝置;19號裝置用于提取或吸附溶液;15號裝置是提取裝置;5c裝置是吸附裝置。此外，還有一種專門用于處理污水的吸附裝置。在化學冶金廠的側翼建筑中，安裝了處理清潔材料的技術裝置，在車間入口處，設有專用控制裝置站，用于測量核廢料中的钚含量。1962年，上述設備全部投產，并開始處理過去的核廢料。到60年代中后期，各項工作全部完成，確保了對全部核廢料的可操作性處理。在技術重建的過程中，工人的工作條件得以改善。車間內布置了三個區間：操作區、維修區、安全屏障區，安裝了更有效的通風和氣體清潔系統，使得工作環境中钚氣溶膠的含量大大降低，創造了更加良好的工作條件。

1968年12月10日，15號裝置發生核事故，有鑒于此，全蘇無機材料研究所和817綜合廠中心實驗室對15號裝置進行了技術改造，停止采用萃取法，在1969—1978年間僅采用吸附法。817綜合廠完成核廢料的處理用了大約15年的時間。在上述設備運行10～15年之后，部分機器被磨損，且舊裝置的設計存在安全隱患，必須進行更換。817綜合廠委托全蘇合作制研究所開發具有核安全性的離心機，并于80年代調試和投產。離心機帶有一組離析盤的沉降轉子，適用于遠程控制模式，可使核廢料中的溶液有效分離。在钚化學冶金生產的長期實踐中，離心機的可靠性得以驗證。

整體來看，在60年代，經過兩輪技術調整，化學冶金技術日臻完善。從核輻射角度來看，化學冶金廠已經基本實現了安全生產。在操作區，空氣污染是最大允許濃度的1/20，此處的工作人員可以在沒有呼吸防護的情況下工作。在維修區，空氣污染程度有所減輕，達到最大允許濃度的1.0～1.5倍。以往那種工作人員頭戴面罩、身穿核防護服的時代已經不復存在。此外，815綜合廠和816綜合廠也分別建有自己的化學冶金廠，在技術方案上仍借鑒了817綜合廠的技術經驗。

四、钚工業綜合體的形成

1949年之前，蘇聯僅有817綜合廠一家钚工廠，1949年后新建了816綜合廠和815綜合廠。這三家綜合廠都建有工業核反應堆、放射化學廠和化學冶金廠三種職能迥異的分廠，有一套技術完整的生產鏈，逐漸形成了完善的钚工業綜合體。在冷戰時期，它們付出了巨大的努力，成功完成了钚-239的生產計劃，且基本解決了生產中的核輻射和核廢料問題。

817綜合廠所處城市的代碼是車里雅賓斯克-65，現為車里雅賓斯克州奧焦爾斯克市，工廠曾用的掩護名稱是蘇聯工業建設總局南烏拉爾辦事處，1967年改名為燈塔綜合廠。它于1945年始建，1948年開始運行，是蘇聯第一家生產钚-239的綜合廠。1953年，其員工超過1.4萬人，總建筑成本達46億盧布。

1945—1952年，核工業企業的投資總額為239億盧布，1953年計劃投資60億盧布。817綜合廠一家工廠的基建資金就占1945—1953年核工業企業投資總額的15%。Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.7.Саров-М.：РФЯЦ-ВНИИЭФ·Физматлит，2007.C.552，556.A（1949—1987）、ИР-АИ（1951—1987）、AB-1（1950—1989）、AB-2（1951—1990）和AB-3（1952—1990）五座石墨堆，ОК-180（1951—1966）、ОК-190（1955—1965）、ОК-190М（1966—1986）和柳德米爾（1988—至今）四座重水堆，以及魯斯蘭（1979—至今）一座輕水堆先后投產。蘇聯解體后，由于俄美之間簽署了《高濃縮鈾—低濃縮鈾協議》，

1993年，俄美簽訂了《高濃縮鈾—低濃縮鈾協議》，規定俄羅斯國家原子能集團公司旗下各企業將500噸高濃縮鈾稀釋成低濃縮鈾，為美國的核電站反應堆提供核燃料。817綜合廠大部分核反應堆關閉，目前只有柳德米爾重水堆和魯斯蘭輕水堆仍在運行，用于生產氚和其他同位素。817綜合廠還進行放射性化學生產，先后有Б廠、РТ-1廠、ДБ廠三座放射化學廠投入生產。60年代Б廠被改建成為РТ-1廠，1987年A、ИР-АИ石墨堆停產后，ДБ廠也停產，目前只有РТ-1廠仍在運行。化學冶金廠主要是B廠，可以同時加工钚裝藥和鈾裝藥，目前仍在從事核裂變材料的加工和彈藥零件的生產工作。

隨著817綜合廠的擴建和技術改進，钚-239的生產成本逐年下降，1950年其成本為1515.2萬盧布/千克，1951年是960萬盧布/千克，1952年同比下降42%，1953年是427萬盧布/千克。

根據現有數據推斷，1949年的成本更高，因為在1949年817綜合廠下屬Б廠和В廠的有效利用系數分別為89%、84.8%，而1950年分別為94.4%、92.9%。1953年之后钚生產成本的數據不詳。Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Атомная бомба，1945-1954，Кн.5.C.303，511，712，782.钚產量也逐年提升，1948—1951年，817綜合廠钚-239的年產量分別是16千克、19千克、69千克、211千克。20世紀60—80年代期間，最高年產量可達1017千克。蘇聯解體前夕，年產量有所下降。整體來看，在1948—1990年間，817綜合廠钚-239的總產量達30 928千克。

Анатолий Дьяков.История производства плутония в России.Наука и всеобщая безопасность，2011.Т.19.№1.С.20.此外，自50年代以來，817綜合廠還開始在重水堆和輕水堆中生產氚及其他同位素，1951年氚的年產量為100克，可滿足1952年制造氫彈模型（需50克氚）的需要。

Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.5.C.718;Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.7.C.552.

816綜合廠所處城市的代碼為托木斯克-7，位于現在的托木斯克州謝韋爾斯克市，工廠曾用掩護名稱是蘇聯工業建設總局外烏拉爾辦事處、外烏拉爾機械制造廠，1966年改名為西伯利亞化學綜合廠。它始建于1949年，1955年正式運行，И-1（1955—1990）、ЭИ-2（1958—1990）、АДЭ-3（1961—1990）、АДЭ-4（1964—2008）和АДЭ-5（1966—2008）五座反應堆先后投產，除И-1外，其余四座反應堆都是兩用反應堆，既可以生產钚-239，也可以生產熱能和電能。816綜合廠建有自己的放射化學廠和化學冶金廠，可以對乏燃料進行后處理。全面運行之后，它很快發展成為蘇聯時期規模最大、產量最高的核工廠。在1955—1964年間，816綜合廠钚-239的年產量分別是10千克、170千克、170千克、199千克、325千克、325千克、527千克、717千克、632千克和1008千克;在1965年五座核反應堆全部投產之后，年均產量在1500千克以上;20世紀70—80年代，最高年產量可達2040千克。蘇聯解體前夕，钚-239

年產量有所下降。整體來看，在1955—1990年間，816綜合廠钚-239的總產量達53 363千克。

Анатолий Дьяков.История производства плутония в России.С.21.此外，816綜合廠也生產氚，計劃年產量為1500克，1951年的實際年產量為745克。

Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.5.C.667，703.

815綜合廠所處城市的代碼為克拉斯諾亞爾斯克-26，位于現在的克拉斯諾亞爾斯克邊疆區熱列茲諾格爾斯克市，1961年改名為采礦和化學綜合廠。它于1950年始建，1958年正式投產，其設施建在地下200～250米深的山脈之下。該廠先后投產了AД（1958—1992）、АДЭ-1（1961—1992）和АДЭ-2（1961—2010）三座反應堆，蘇聯解體之后，俄羅斯僅有АДЭ-2運行到2010年，主要負責為當地居民提供熱能。目前放射化學廠РТ-2仍在運行，不僅可以加工自家工廠產生的核廢料，還可以對817綜合廠、816綜合廠反應堆的乏燃料進行后處理，最終產品是二氧化钚。化學冶金廠繼續加工钚裝藥和零件。由于815綜合廠正式投產時間較晚，钚-239的生產技術相對成熟，故在其運行之初就實現了工業規模化的生產。在1958—1963年間，815綜合廠钚-239的年產量分別為101千克、378千克、378千克、508千克、756千克和567千克。自20世紀60年代中期，三座核反應堆全部投產后，钚-239年產量在1000千克以上，70—80年代，最高年產量可達1415千克。蘇聯解體前夕，钚-239年產量有所下降。整體來看，在1958—1990年間，815綜合廠钚-239的總產量達38 032千克。

Анатолий Дьяков.История производства плутония в России.С.22.

綜上所述，蘇聯時期上述三家綜合廠钚-239的總產量為122 323千克。蘇聯時期，钚-239的利用和消耗情況如下：第一，在關鍵組件中使用。目前約有540千克武器級钚被用于關鍵組件中;第二，核武器試驗的消耗。蘇聯時期一共測試了939枚核彈頭，

Андрюшин И.А.，Чернышев А.К.，Юдин Ю.А.Укрощение ядра.Саров：Саранск “Красный Октябрь”，2003.C.164.如按每個核彈頭至少含有4千克钚計算，則在測試中消耗的钚量約為3900千克;第三，生產過程中的損失。20世紀50年代初期，在核廢料中約有13%的钚殘留，到60年代中期，殘留減少到3%～5%。

Рябев Л.Д.（общ.ред.） Атомный проект СССР：Документы и материалы，Т.Ⅱ，Кн.5.C.702.據此估算，核廢料中殘留的钚含量約為5500千克;第四，武器級钚部件加工制造過程中的損失。根據美國的經驗，此類損失約為5%，據此計算損失的钚量約為7000千克;第五，3艘核潛艇沉沒的損失。К-129號潛艇在1968年沉沒，其攜帶3枚彈道導彈，每枚導彈攜帶1枚核彈頭和2枚核魚雷。К-219號潛艇于1986年10月沉沒，其內裝有16枚彈道導彈，每枚導彈都裝有1枚核彈頭和2枚核魚雷。“共青團”號潛艇于1989年沉沒，攜帶2枚核彈魚雷。3艘核潛艇裝載的核彈頭和核魚雷中的钚含量約為100千克。據此估算，蘇聯時期的钚消耗共計為17 040千克，為俄羅斯聯邦留下的钚遺產達105 283千克。在1991—2008年，816綜合廠新生產了14 950千克钚，在1991—2010年815綜合廠又生產了7702千克钚， 蘇聯解體后，817綜合廠轉型，主要生產氚和其他同位素。Анатолий Дьяков.История производства плутония в России.С.21-22.共計22 652千克钚。據此可以粗略推算，截止到2010年俄羅斯的钚儲量約為127 935千克。

結 語

總而言之，在1949年之后，钚-239生產的試驗性特征逐漸消失，實現了大規模的工業生產。在反應堆技術方面，石墨反應堆從第一代更新到第三代，重水堆和輕水堆從理論試驗階段進入工業生產階段。在放射化學技術方面，經歷了醋酸鹽——氟化法和乙醚萃取法——乙酸鹽沉淀法——吸附法——普雷克斯流程等多次技術革新，日趨完善。在化學冶金技術方面，20世紀50—60 年代該技術仍具有試驗性特征，60年代之后經過兩個階段的技術調整，日臻成熟。縱觀整個蘇聯時期，钚-239工業規模的生產滿足了批量生產核武器的國家戰略需要，50年代中期蘇聯核彈頭的數量追趕上了美國，70年代下半葉超過了美國，直到戈爾巴喬夫大規模削減核武器之前，蘇聯一直保持核武器在數量上多于美國的優勢。蘇聯解體后為俄羅斯聯邦留下了豐厚的钚遺產，俄羅斯國家原子能集團公司旗下企業大規模拆卸蘇聯時期遺留下來的核彈頭，將武器級核裂變材料稀釋為低濃縮鈾出口美國，賺取外匯，走出了“以核養核，滾動發展”的良性發展之路。

責任編輯：宋 鷗 鄭廣超

Plutonium-239 Production and Soviet Nuclear Program

ZHANG Wen-hua

（School of History and Culture，Qufu Normal University，Qufu，Shandong，273165，China

）Abstract：The main nuclear fissile materials used in the Soviet nuclear program were plutonium-239 and uranium-235，of which plutonium-239 production was the first to be successful，the nuclear fissile material used in the first Soviet atomic bomb that called RDS-1 test explosion on August 29，1949 was plutonium-239.Prior to 1949，the production of plutonium-239 was experimental in character，and after 1949 it entered the stage of industrial-scale production.During the stage of industrial production of plutonium-239，reactor technology，radiochemical technology and chemical metallurgy technology had been improved，achieving the goals such as increased capacity，reduced costs and safe production，forming a complete plutonium industrial complex，it not only left rich plutonium products for the Russian Federation，but also laid a solid foundation for the production of plutonium-239.

Key words：Soviet nuclear program; plutonium-239; reactor technology; radiochemical technology; chemical metallurgical technology

DOI：10.19832/j.cnki.0559-8095.2022.0018

收稿日期：2021-06-05

基金項目：國家社會科學基金一般項目“封建制與商周早期國家治理體系研究”（20BZS020）和2019年全國文化名家暨“四個一批”人才工程自主選題項目“從封建走向帝制：周秦之際社會轉型研究”階段性成果之一。

作者簡介：謝乃和，東北師范大學歷史文化學院教授、博士生導師，研究方向為先秦史。

① 相關討論參見齊思和：《周代錫命禮考》，《中國史探研》，中華書局1981年版，第50-66頁;陳夢家：《西周銅器斷代》，中華書局2004年版，第398-424頁;黃盛璋：《西周銅器中冊命制度及其關鍵問題新考》，石興邦主編：《考古學研究——紀念陜西省考古研究所成立三十周年》，三秦出版社1993年版，第407頁;陳漢平：《西周冊命制度研究》，學林出版社1986年版，第21-28頁;馬承源：《中國青銅器》（修訂本），上海古籍出版社2003年版，第352-354頁。

② 曹錦炎：《退鼎銘文小考》，中國文字編委會編：《中國文字》新43期，藝文印書館2017年版，第13-18頁;王進鋒：《鼎銘文讀釋》，華東師范大學中國文字研究與應用中心、華東師范大學語言文字工作室主辦：《中國文字研究》第30輯，社會科學文獻出版社2019年版，第26-35頁;韋心瀅：《鼎相關問題試析》，《故宮博物院院刊》，2021年第3期。

③ 王世民、陳公柔、張長壽：《西周青銅器分期斷代研究》，文物出版社1999年版，第29-31頁。

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