Метод обогащения урана времен СССР оказался самым эффективным
А с начала нынешнего года на Электрохимическом заводе в Зеленогорске (Красноярский край) произведен монтаж, наладка и запуск трех производственных очередей с центрифугами новейшего образца. Всего в 2021-м планируется замена пяти секций, и такое технологическое перевооружение идет на ЭХЗ уже третий год…
Освоенный полвека назад в СССР промышленный метод газоцентрифужного получения урана для военных нужд и ядерной энергетики оказался самым эффективным. Он до сих пор обеспечивает нашей стране конкурентные преимущества на мировом рынке ядерного топлива и услуг по обогащению. На этом направлении научного и технологического прогресса мы с начала 1960-х годов уверенно солируем.
Сегодня - подходящий повод вернуться к истокам, напомнить, как все начиналось, и осмыслить, где мы сейчас.
Как она вертится
4 октября 1957 года в СССР запустили первый спутник - об этом с ликованием узнал весь мир. А о том, что всего через месяц, 4 ноября того же года, в местечке Верх-Нейвинск на среднем Урале была пущена первая очередь опытного завода, где обогащать уран стали методом центрифужного разделения изотопов, долго не могли пронюхать самые лучшие разведки мира. В 1958-м завод вышел на расчетный режим и показал, что при таком методе как минимум в 20 раз сокращается энергопотребление на единицу разделения и в два раза снижается себестоимость.
До этого и мы, и наши главные на тот момент конкуренты в США получали обогащенный уран на газодиффузионных установках, которыми оснащались первые обогатительные комбинаты. Метод основан на медленном проникновении атомов через пористую перегородку. Этот своеобразный фильтр позволяет отделять одни изотопы от других - в данном случае уран-235 от урана-238.
Поначалу метод газовой диффузии казался доступнее в реализации. Даже при том, что он требовал огромных затрат электроэнергии. Кроме общей дороговизны и низкого КПД он был не безопасен для работающих - главным образом, из-за высоких температур и шума в цехах. Плюс большие объемы химически активных смесей под давлением...
- То, что газоцентрифужный метод разделения лишен подобных недостатков, было известно с 1895 года, - раскрывали "подводные камни" в беседе со мной ветераны атомной отрасли на заводе "Точмаш" во Владимире. - Но попробуй возьми нужный слой из цилиндра, который с бешеной скоростью вращается в вакууме!
Другой проблемной стороной самых первых таких установок была их недолговечность. И хотя вращались они поначалу со скоростью "всего" 10 тысяч оборотов в минуту, не просто было совладать с огромной кинетической энергией ротора.
- Машины-то ваши разрушаются! - язвительно упрекнул разработчиков на одном из совещаний в Минсредмаше тогдашний начальник главка Александр Зверев, имевший звание генерала НКВД.
- А вы что хотели? Чтобы они еще и размножались?! - дерзко парировал руководивший в то время проектом заместитель главного конструктора Анатолий Сафронов.
По первоначальным расчетам, толщина наружных стенок корпуса центрифуги должна была быть 70 миллиметров - как танковая броня. Попробуй такую махину раскрути… Но методом проб и ошибок нашли компромиссное решение. Был создан специальный сплав - прочнее и легче стали.
Иголки с секретом
Корпуса современных газовых центрифуг, которые автору довелось увидеть и подержать в руках, никаких ассоциаций с танковой броней не вызывают: обычные с виду пустотелые цилиндры с отшлифованной до блеска внутренней поверхностью.
Издали их можно принять за обрезки труб с соединительными фланцами на концах. Длина - не больше метра, в диаметре - сантиметров двадцать. А на разделительных комбинатах Топливной компании ТВЭЛ из них собраны гигантские каскады длиной в сотни метров. Знаки на стенах и специальная разметка на окрашенном бетонном полу в технологических пролетах указывают, что здесь принято перемещаться на велосипеде. Правда, не быстрее 5-10 километров в час.
А внутри гудящих едва слышно центрифуг совсем другие скорости - ротор на игле с корундовым подпятником, "подвешенный" в магнитном поле, делает 1500 оборотов в секунду! В сравнении с первым изделием ВТ-3Ф 1960 года выпуска его разогнали почти в десять раз, а срок безостановочной работы увеличили с трех лет до тридцати.
Наверное, трудно найти другой пример, когда бы техника демонстрировала такую надежность при таких экстремальных параметрах.
- На комбинате в Новоуральске еще работают машины, которые мы поставили туда 30 лет назад, - говорили мне руководители центрифужного производства на заводе во Владимире, которое теперь перемещено в Ковров. Те владимирские центрифуги, предполагаю, были четвертого-пятого поколений, а сейчас, как было сказано вначале, серийно производится девятое "плюс".
С начала года три такие очереди уже пущены в работу на Электрохимическом заводе в городе Зеленогорск Красноярского края. До донца декабря планируют ввести еще две.
А в НПО "Центротех" уже давно в чертежах и цифровых моделях поколение Next...
- В конструкции наших центрифуг ничего сверхсложного нет. Все дело в отработке технологии до мельчайших деталей и строгом контроле качества, - с мягкой улыбкой уверяла меня ветеран "Точмаша" Татьяна Сорокина, которая много лет "вела" на заводе технологию изготовления опорной иглы для ротора. - Такие иглы делают из обычной рояльной проволоки, из которой тянут струны. А вот способ закалки наконечника - это наше ноу-хау…
Свое объяснение секретам российской центрифуги дал на склоне лет и один из ее создателей - инженер-конструктор Виктор Сергеев. На вопрос спецслужб, а что же охранять в этом изделии и в чем его главный секрет, он ответил лаконично: "Люди".
От диффузии к волчку
При центрифужном методе разделения изотопов за счет высокой скорости вращения ротора поток газа закручивается, в нем создается центробежная сила, которая в сотни тысяч раз больше, чем сила тяготения Земли. За счет этого тяжелые молекулы урана-238 "сбиваются" на периферии вращающегося цилиндра, а более легкие молекулы урана-235 концентрируются возле оси ротора.
Через раздельные трубопроводы изотопы U-238 выводятся "в отвал", а обогащенная фракция с возросшим содержанием урана-235 перетекает в следующую центрифугу, с которой соединена и увязана в большие каскады. Подавая с выхода каждой ступени частично обогащенный материал на вход следующей ступени, удается получать уран нужной степени обогащения. Метод освоен и получил опережающее развитие в России. Используется в Германии, Великобритании, Нидерландах, Японии, Австралии, Пакистане, Индии, Бразилии, Иране и других странах. Несколько проектов газовых центрифуг в разные годы были запущены в США.
С середины 90-х годов прошлого века специалистами ТВЭЛ созданы и успешно внедрены в производство четыре поколения газовых центрифуг, включая ГЦ 9+, которые составляют на этот день основу разделительных мощностей и обеспечивают лидерство госкорпорации "Росатом" на рынке обогащения урана - около трети мирового объема таких услуг. Сейчас газовые центрифуги в России разрабатывают и производят НПО "Центротех" (Новоуральск) и Ковровский механический завод (Владимирская область). В их конструкции и при изготовлении реализовано техническое решение с применением углеволокна, благодаря которому российские газовые центрифуги остаются лучшими в мире.