Как обогащают уран: метод центрифужного разделения изотопов. Обогащение урана Обогащение урана в мире

Результате природный уран разделяют на обогащенный уран и обедненный уран.

В природном уране содержится три изотопа урана: 238U (массовая доля 99,2745 %), 235U (доля 0,72 %) и 234U (доля 0,0055 %). Изотоп 238U является относительно стабильным изотопом, не способным к самостоятельной цепной ядерной реакции, в отличие от редкого 235U. настоящее время 235U является первичным делящимся материалом в цепочке технологий ядерных реакторов и ядерного оружия. Однако для многих применений доля изотопа 235U в природном уране мала и подготовка ядерного топлива обычно включает стадию обогащения урана.

• 1 Причины обогащения
• 2 Степени обогащения урана
• 3 Технологии
• 4 Производство обогащенного урана в мире
• 5 См. также
• 6 Примечания
• 7 Ссылки

Причины обогащения

Цепная ядерная реакция подразумевает что хотя бы один нейтрон из образованных распадом атома урана будет захвачен другим атомом и, соответственно, вызовет его распад. первом приближении это означает что нейтрон должен «наткнуться» на атом 235U раньше чем покинет пределы реактора. Значит, конструкция с ураном должна быть достаточно компактной чтобы вероятность найти следующий атом урана для нейтрона была достаточно высока. Но по мере работы реактора 235U постепенно выгорает, что уменьшает вероятность встречи нейтрона и атома 235U, что вынуждает закладывать в реакторах определенный запас этой вероятности. Соответственно, низкая доля 235U в ядерном топливе вызывает необходимость в:

• большем объёме реактора чтобы нейтрон дольше в нём находился;
• бóльшую долю объёма реактора должно занимать топливо чтобы повысить вероятность столкновения нейтрона и атома урана;
• чаще требуется перезагружать топливо на свежее чтобы сохранять заданную объемную плотность 235U в реакторе;
• высокой доле ценного 235U в отработавшем топливе.

В процессе совершенствования ядерных технологий были найдены экономические и технологические оптимальные решения, требующие повышения содержания 235U в топливе, то есть обогащения урана.

В ядерном оружии задача обогащения практически такая же: требуется чтобы за предельно короткое время ядерного взрыва максимальное число атомов 235U нашли свой нейтрон, распались и выделили энергию. Для этого нужна предельно возможная объемная плотность атомов 235U, достижимая при предельном обогащении.

Степени обогащения урана

Природный уран с содержанием 235U 0,72 % находит применение в некоторых энергетических реакторах (например, в канадских CANDU), в реакторах-наработчиках плутония (например, А-1).

Уран с содержанием 235U свыше 20 % называют высокообогащенным (англ. Highly enriched uranium, HEU) или оружейным . На заре ядерной эры были построены несколько образцов ядерного оружия пушечной схемы на основе урана с обогащением около 90 %. Высокообогащенный уран может использоваться в термоядерном оружии в качестве тампера (обжимающей оболочки) термоядерного заряда. Кроме того, уран с высоким обогащением используется в энергетических ядерных реакторах с длительной топливной кампанией (то есть с редкими перезагрузками или вовсе без перезагрузки), например в реакторах космических аппаратов или корабельных реакторах.

В отвалах обогатительных производств остается обедненный уран с содержанием 235U 0,1…0,3 %. Он широко используется в качестве сердечников бронебойных снарядов артиллерийских орудий благодаря высокой плотности урана и дешевизне обедненного урана. будущем возможно использование обедненного урана в составе уран-плутониевого топлива для энергетических реакторов.

Технологии

Основная статья: Разделение изотопов

Известно много методов разделения изотопов. Большинство методов основано на разной массе атомов разных изотопов: 235-й немного легче 238-го из-за разницы в количестве нейтронов в ядре. Это проявляется в разной инерции атомов. Например, если заставить атомы двигаться по дуге то тяжёлые будут стремиться двигаться по большему радиусу чем лёгкие. На этом принципе построены электромагнитный и аэродинамический методы. электромагнитном методе ионы урана разгоняются в ускорителе элементарных частиц и закручиваются в магнитном поле. аэродинамическом методе газообразное соединение урана продувается через специальное сопло-улитку. Похожий принцип в газовом центрифугировании : газообразное соединение урана помещается в центрифугу, где инерция заставляет тяжёлые молекулы концентрироваться у стенки центрифуги. Термодиффузионный и газодиффузионный методы используют разницу в подвижности молекул: молекулы газа с лёгким изотопом урана более подвижны чем тяжёлые. Поэтому они легче проникают в мелкие поры специальных мембран при газодиффузионной технологии. При термодиффузионном методе менее подвижные молекулы концентрируются в более холодной нижней части разделительной колонны, вытесняя более подвижные в верхнюю горячую часть. Большинство методов разделения работают с газообразными соединениями урана, чаще всего с UF6.

Многие из методов пытались использовать для промышленного обогащения урана, однако в настоящее время практически все мощности по обогащению работают на основе газового центрифугирования. Наряду с центрифугированием в прошлом широко использовался газодиффузионный метод. На заре ядерной эры использовались электромагнитный, термодиффузии, аэродинамический методы. На сегодняшний день центрифугирование демонстрирует наилучшие экономические параметры обогащения урана. Однако ведутся исследования перспективных методов разделения, например, лазерное разделение изотопов.

Производство обогащенного урана в мире

Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU). Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report с прогнозом развития.

страна	Компания, Завод	2012	2013	2015	2020
Франция	Areva: Georges Besse I и II	2500	5500	7000	8200
Германия, Голландия, Англия,	URENCO: Gronau (Германия), Almelo (Голландия), Capenhurst (Англия)	12800	14200	14200	15700
Япония	JNFL (англ.)русск., Rokkaasho	150	75	1050	1500
США	USEC (англ.)русск.: Paducah & Piketon	5000	0	0	3800
США	URENCO: New Mexico	2000	3500	5700	5700
США	Areva: Idaho Falls	0	0	0	3300
США	Global Laser Enrichment	0	0	0	3000
Россия	ОАО ТВЭЛ (TENEX)	25000	26000	30000	37000
Китай	CNNC (англ.)русск., Hanzhun & Lanzhou	1500	2200	3000	8000
Пакистан, Бразилия, Иран	Разные	100	75	500	1000
	Суммарное	49000	51550	61450	87200

См. также

• Ядерная энергия
• Обеднённый уран

Примечания

1. Удешевление обогащения. Атомный эксперт. Обзор истории и технологий обогащения урана.

Ссылки

• Мировой рынок ядерного топлива, Cambridge, 2013.
• Глоссарий терминов // Minatom
• Справка: обогащение урана
• The Radioactive Boy Scout. Ken Silverstein. (перев. рус.)

Ядерные технологии
Инженерия	Ядерная физика · Деление ядра · Термоядерная реакция · Излучение · Ионизирующее излучение · Атомное ядро · Ядерная безопасность · Ядерная химия
Материалы	Ядерное топливо · Отработанное ядерное топливо · Ядерное топливное сырье · Ядерный топливный цикл · Торий · Уран ( Обеднённый уран) · Плутоний · Дейтерий · Тритий · Гелий-3 · Литий-6
Ядерная энергия	Главные темы Ядерный реактор · Радиоактивные отходы · Управляемый термоядерный синтез · Ядерная силовая установка · Ядерный двигатель (Ядерный ракетный двигатель) · Радиоизотопный термоэлектрический генератор Типы реакторов Инерциальный синтез · Корпусной ядерный реактор · Канальный ядерный реактор · Кипящий водо-водяной реактор · 4-го поколения · Реактор на быстрых нейтронах · Магноксовый · Водо-водяной ядерный реактор · Графито-водный ядерный реактор · Графито-газовый ядерный реактор · Газоохлаждаемый быстрый · Реактор с жидкометаллическим теплоносителем · На бегущей волне · Со свинцовым теплоносителем · Реактор на расплавах солей · Тяжеловодный ядерный реактор · Сверхкритический водоохлаждаемый · Сверхвысокотемпературный · С гранулированным топливом · Интегральный быстрый реактор · SSTAR
Ядерная медицина
Ядерное оружие	История · Разработка · Ядерная война · Ядерная гонка · Ядерный взрыв (Поражающие факторы ядерного взрыва) · Ядерное испытание · Перевозка · Распространение Ядерный клуб · Список ядерных испытаний

Уран
Нуклиды	232U 233U 234U 235U 236U 238U
Соединения	UO U3O8 UO2 U4O9 U5O13 UO3 UO4 UF3 UF4 UF5 UF6 UCl3 UCl4 UCl5 UCl6 UJ3 UBr3 UBr4 UH3 (NH4)2U2O7 Na2O(UO3)2 Na2U2O7 UB2 U(BH4)4 UO2(CH3COO)2 UO2(CHO2)2 UO2CO3 UO2Cl2 UO2F2 UO2(NO3)2 U(OH)3 UO2(OH)2 U(SO4)2 UO2(SO4)2 UP2O5 H2U2O7 H2UO7
Природные минералы	Браннерит Давидит Казолит Карнотит Клевеит Коффинит Маргаритасит Настуран Отенит Самарскит Торбернит Тюямунит Уранинит Уранофан Фергюсонит Цейнерит Шрекингерит
Деятельность человека	Обеднённый уран Пьюрекс-процесс Ядерное топливо Ядерное оружие

обогащение урана, обогащение урана американский метод

Обогащение урана Информацию О

Обогащение урана является одним из ключевых шагов в создании ядерного оружия. Только определенный вид урана работает в ядерных реакторах и бомбах.

Отделение этого типа урана от более распространенного сорта требует большого инженерного мастерства, несмотря на то, что технологиям необходимым для этого, уже десятилетия. Задача состоит не в том чтобы выяснить как отделить уран, а в том, чтобы построить и запустить оборудование, необходимое для выполнения этой задачи.

Урана атомы, как и атомы элементов встречающиеся в природе в разновидности называются изотопами. (Каждый изотоп имеет различное количество в своем ядре.) Уран-235, изотоп, который составляет менее 1 процента всего природного урана, обеспечивает топливом для ядерных реакторов и ядерных бомб, в то время как уран-238, изотоп, который составляет 99 процентов природного урана, не имеет ядерного использования.

Ключ к разделению

Ключ к их разделению заключается в том, что атомы урана-235 весят несколько меньше, чем атомы урана-238.

Для того чтобы отделить малюсенькое количество урана-235, который присутствует в каждом природном образце урановой руды, инженеры сначала с помощью химической реакции превращают уран в газ.

Затем газ вводят в центрифужные трубы цилиндрические формы размером с человека или больше. Каждая трубка вращается по своей оси на невероятно высоких скоростях, вытягивая более тяжелые молекулы газа урана-238 в центр трубки, оставляя более легкие молекулы газа урана-235 ближе к краям трубки, где их можно высосать.

Каждый раз, когда газ вращают в центрифуге, только небольшое количество урана-238 газ удаляется из смеси, поэтому трубы используются в серии. Каждая центрифуга вытаскивает немного урана-238, а затем передает слегка очищенную газовую смесь на следующую трубу и т. д.

Преобразование газового урана

После разделения газообразного урана-235 на многих этапах центрифуг, инженеры используют другую химическую реакцию для преобразования газового урана обратно в твердый металл. Этот металл можно позже сформировать для пользы в или реакторах или бомбах.

Поскольку каждый шаг только очищает смесь уранового газа на небольшое количество, страны могут позволить себе только запускать центрифуги, которые спроектированы до самого высокого уровня эффективности. В противном случае производство даже небольшого количества чистого урана-235 становится непомерно дорогим.

И проектирование и изготовление этих центрифужных труб требует определенного уровня инвестиций и технического ноу-хау за пределами досягаемости многих странах. Трубы требуют особенные типы стали или смесей которые выдерживают значительное давление при вращении, должны быть совершенно цилиндрическими и изготовлены специализированными машинами, трудными для построения.

Вот пример создания бомбы, которую Соединенные Штаты сбросили на Хиросиму. Нужно 62 кг урана-235, чтобы сделать бомбу, по данным «создание атомной бомбы» (Саймон и Шустер, 1995).

Разделение этих 62 кг от почти 4 тонн урановой руды произошло в крупнейшем в мире здании и использовало 10 процентов электроэнергии всей страны. Для строительства сооружения потребовалось 20 000 человек, 12 000 человек эксплуатировали объект, а в 1944 году его оснащение обошлось более чем в 500 миллионов долларов.»Это около $7,2 миллиарда долларов в 2018 году.

Это сверхвысокотехнологичная сфера. Если Запад (прежде всего, США) пошел по линии газодиффузионного обогащения, то СССР — по пути центрифуг. В результате оказалось, что и по затратам энергии на обогащение урана, и по эффективности обогащения «русский способ» лучше американского минимум в 20 раз. ...

Тот, кто добывает и лучше и дешевле обогащает уран, одновременно получает возможности доминировать и на рынке строительства АЭС - одновременно и быстрорастущем, и высокотехнологичном. Это один из главных мировых рынков, на котором продается наиболее выгодная продукция: как говорят экономисты, «с высокой добавленной стоимостью». Равных России в данной сфере пока нет.

Оригинал взят у arctus

* * *
Добыть природный уран — это полдела. Для того чтобы он мог работать в реакторе, давая энергию, его нужно обогатить. То есть увеличить в нем содержание изотопа U235 примерно в пять раз. А это занятие очень и очень непростое, поскольку U235 от своего полного химического «родственника» U238 отличается совсем чуть-чуть — всего тремя нейтронами из имеющихся в ядре более чем двухсот тридцати.

Известны три способа обогащения урана. Причем все они требуют использования урана в виде газообразного соединения с минимумом «лишних» атомов в молекуле. Наиболее удобным из таких соединений оказался гексафторид, в котором «тяжелый» атом урана соединен с шестью «легкими» атомами фтора, и который превращается в газ при температуре 56,5°С.

Первый способ обогащения — газодиффузионный. В нем гексафторид урана «продавливается» через мелкопористую среду, и в результате более легкие молекулы с U235 «забегают вперед», накапливаясь во фронтальной части газодиффузионной колонны.

Второй способ обогащения — газоцентрифужный. В нем гексафторид урана поступает во вращающуюся с большой скоростью центрифугу, и в ней более легкие молекулы с U235 накапливаются ближе к оси вращения, а более тяжелые молекулы с U238 «отбрасываются» к стенкам и удаляются.

Третий способ (который пока не вышел из опытно-производственной стадии) — лазерно-электростатический. В нем лазерное излучение с очень точно подобранным уровнем энергии избирательно «выбивает» электроны из атомов U235 в гексафториде, превращая их в положительно заряженные ионы. А далее эти ионы «прилипают» к отрицательному электроду обогатительной установки.

Сложно? На самом деле гораздо сложнее, чем здесь написано. И не только сложно, но еще и весьма дорого. А потому стран, которые имеют собственные мощности обогащения урана, в мире всего 15. В алфавитном порядке: Аргентина, Бразилия, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Иран, Китай, Бельгия, Северная Корея, Пакистан, Россия, США, Франция, Япония. Причем у России — 40% мировых мощностей обогащения урана, у США — 20%, у Франции — 15%, у Германии, Великобритании и Бельгии вместе — 22%, у остального мира — всего 3%.

Но ведь обогащать уран можно по-разному. Можно до энергетических 3,5% U235, а можно и до оружейных 80-90% U235 (и затем делать ядерное оружие). И потому страны, которые занимаются обогащением урана, обязаны поставить свои обогатительные комплексы под контроль и инспектирование МАГАТЭ.

Однако для нашей темы важнее другое.

Поскольку на первых стадиях «ядерной гонки» между Западом и СССР главным вопросом были бомбы, сфера обогащения урана была строго засекречена. И если Запад (прежде всего, США) пошел по линии газодиффузионного обогащения, то СССР — по пути центрифуг.

В результате оказалось, что и по затратам энергии на обогащение урана, и по эффективности обогащения «русский способ» лучше американского минимум в 20 раз! Вот какое «экономическое ядерное оружие» придумали и создали советские умельцы. Причем за более чем 20 лет, прошедшие после раскрытия части советских «центрифужных» секретов, ни США, ни какая-либо другая страна в этой сфере «догнать и перегнать» Россию не смогла. Сейчас у США и Франции только появляются современные качественные центрифуги, но достаточного количества заводов, способных поставить дешевое хорошее обогащение на промышленный поток, еще нет. И построить такие заводы — опять-таки дело сложное и долгое.
* * *
Из отрывка работы Ю.В. Бялого по ядерной энергетике в рамках цикла "Большая энергетическая война".
Читайте :
- о ресурсообеспеченности ядерной энергетики;
- первой десятка стран-обладателей этих резервов;
- мировая борьба за контроль имеющихся крупных месторождений урана, горячая и "тихая";
- важные ньюансы контрактов на строительство АЭС.

За 70 лет атомной эры были опробованы разные технологии разделения изотопов урана. В итоге победила одна – центрифужная. На подходе, возможно, еще более совершенный процесс – лазерный. При этом эффективность способов обогащения возрастает настолько, что в условиях глобализации это становится небезопасно. Мы публикуем обзор всевозможных технологий обогащения, а также их сравнительный анализ.

В последние годы обозначились серьезные изменения производственной базы обогащения урана. Франция, США, Китай переходят на новые для них технологии разделения – центрифужные. Другие ведущие поставщики (Росатом, URENCO) осуществляют модернизацию, перегруппировку и увеличение своих разделительных заводов – самых эффективных в мире. Южная Корея активизировала попытки войти в клуб крупных поставщиков услуг по обогащению, то же предполагает ядерная программа Индии, которая до сих пор обходилась незначительными мощностями разделения. Не исключено, что по пути внедрения новых эффективных технологий разделения изотопов пойдут и другие страны, имеющие опыт в этой области и планы расширения атомной отрасли, такие как ЮАР, Бразилия, Иран, Пакистан и другие. Наконец, ближе к внедрению подошла технология разделения изотопов с помощью лазера, которую многие считают процессом следующего поколения. Рост эффективности обогащения урана и освоение новых технологий ставят на повестку дня новые вопросы, связанные с конкуренцией на рынке ОУП и нераспространением.

ПОДХОДЫ

Первые способы разделения изотопов были предложены задолго до освоения атомной энергии. Поскольку изотопы одного элемента мало отличаются по химическим свойствам, большинство методов их сепарации основано на физических процессах. Значительная часть физических методов разделения так или иначе использует некоторую количественную разницу поведения изотопов и их химических соединений под действием инерции / гравитации. Однако некоторые базируются на других явлениях, например, разделение изотопов урана с помощью лазера. Технологии разделения в общем более эффективны для легких элементов и менее – для тяжелых, таких как актиноиды, что связано, в частности, с разным соотношением масс изотопов: у легких элементов этот показатель гораздо больше, что упрощает их сепарацию физическими методами. Например, у первых элементов таблицы Менделеева массы изотопов отличаются на десятки и сотни процентов, в то время как у U 235 и U 238 – только на 1,27 %, причем для соединений урана, в которых осуществляется разделение, разница еще меньше. Уран имеет и другие недостатки с точки зрения изотопного обогащения, такие как отсутствие выбора стабильных газообразных соединений, необходимых для большинства процессов разделения: в промышленных технологиях используется по сути одно такое соединение – гексафторид урана (в чистом виде или редко в смеси с другими веществами). UF 6 наиболее удобен для изотопного разделения урана в силу приемлемых условий фазовых переходов (сублимация при атмосферном давлении и температуре примерно 56 °C) и отсутствия у фтора изотопов, что упрощает процесс разделения. Однако гексафторид урана отличается высокой химической активностью и токсичностью, а это предъявляет особые требования к безопасности производства и транспортировки.

Эффективность разных методов разделения одних и тех же изотопов может сильно отличаться по разным параметрам. Выбор конкретного способа обогащения зависит от приоритетов страны и от исторических и политических условий. Применявшиеся в разное время промышленные способы обогащения урана включают электромагнитную сепарацию, термодиффузионный метод, центрифугирование, газовую диффузию, аэродинамическую сепарацию. Эти способы наиболее эффективны именно для урана. Для других веществ применяются в промышленном масштабе и иные методы разделения, которые бывают на порядок более эффективны. Например, для разделения изотопов водорода или лития, которое может применяться в процессе производства тяжелой воды и термоядерного оружия, используются принципы, основанные на значительно бóльших различиях изотопных характеристик этих легких элементов.

РАЗРАБОТКА

Все использовавшиеся промышленные принципы разделения изотопов урана разработаны много десятилетий назад, большинство из них – в 1940 – 1950-е годы. Внедрение изотопного обогащения урана в промышленном масштабе впервые началось в середине 1940-х годов в США и во второй половине того же десятилетия в СССР. Американцы в рамках программы создания атомного оружия – так называемого Манхэттенского проекта – рассматривали разные способы обогащения изотопом урана-235, однако остановились на трех технологиях разделения, которые было решено внедрять одновременно – газодиффузионный и электромагнитный методы, а также термодиффузия. Три завода, каждый из которых использовал одну из этих технологий, были построены в 1943 – 1945 годах на соседних площадках в Окридже, штат Теннеси. В силу различий в технической эффективности разделения, достигнутой на том этапе каждым из этих объектов, а также спешки с реализацией Манхэттенского проекта, между технологиями было установлено «разделение труда»: с помощью термодиффузии получали слабообогащенный уран, который направлялся на дообогащение на газодиффузионный завод и доводился до оружейного (по сегодняшним меркам низкого) качества в электромагнитных сепараторах. Это позволило уже к лету 1945 года получить необходимое количество оружейного урана для одного из трех ядерных боезарядов, созданных до августа.

СССР первоначально сделал ставку на две технологии обогащения урана: газовую диффузию и электромагнитную сепарацию. Между ними было также установлено разделение функций, наподобие использованного американцами: уран из газодиффузионных машин доводился до высокой степени обогащения электромагнитным способом. Первый газодиффузионный завод был построен в 1945 – 1949 годы в районе поселка Верх-Нейвинск Свердловской области (в настоящее время здесь расположен УЭХК), а электромагнитные сепараторы – в 1947–1950 годах недалеко от поселка Нижняя Тура в том же регионе (сегодня – «Электрохимприбор»).

Великобритания – страна, создавшая ядерное оружие третьей, – использовала газовую диффузию для обогащения урана: завод, использующий эту технологию, был открыт в 1952 году в Кейпенхерсте.

Во всех трех государствах на первом этапе столкнулись с «болезнями роста» на газодиффузионных заводах: существенными потерями гексафторида урана, недообогащением сырья до нужного уровня, быстрым выходом из строя делителей и так далее. Однако в 1950-е годы удалось поднять эффективность газовой диффузии и получать с ее помощью уран оружейного качества. Это позволило отказаться от электромагнитной сепарации и термодиффузии как менее эффективных методов. Таким образом, в эпоху первоначального накопления оружейных материалов ядерными державами (не только в США, СССР и Великобритании, но и во Франции и Китае) в мире господствовала газодиффузионная технология.

Также в 1940-е годы были предприняты первые попытки разработать промышленную технологию центробежного разделения изотопов урана. В США создали несколько моделей центрифуг, которые, однако, как и ряд других концепций, не были внедрены в ходе Манхэттенского проекта. Применение этой технологии в промышленном масштабе в США началось лишь в 2010 году, а до этого на протяжении шести десятилетий американцы практически полностью опирались на газодиффузионный метод, равно как и Франция, которая приступила к замене газодиффузионных мощностей лишь в последние годы.

Пионером освоения центробежного метода оказался СССР, ученые которого после войны разработали ряд концепций центрифуг. Их интенсивное промышленное внедрение началось с конца 1950-х годов и велось параллельно с дальнейшим развертыванием газодиффузионной технологии, а с 1970-х годов – полностью сменило ее. В начале 1970-х годов на центрифужное обогащение стали переходить некоторые европейские страны: компания URENCO, созданная совместно Великобританией, Нидерландами и энергокомпаниями тогда еще ФРГ, построила в этих государствах разделительные заводы, которые отчасти стали работать на международный рынок обогащения урана, возникший незадолго до этого. В дальнейшем в разные периоды времени центрифуги внедрялись также в Японии, Индии, Пакистане, Бразилии, Китае, Иране. К сегодняшнему дню эта технология повсеместно вытеснила газовую диффузию.

Германия, ЮАР и Бразилия рассматривали, наряду с прочими вариантами, внедрение более экзотического принципа разделения – аэродинамической сепарации. Пилотные установки, использующие эту технологию, были построены в 1970-х годах в ФРГ (в ядерном центре в Карлсруэ) и в Южно-Африканской республике (Валендаба), которая таким образом пыталась обойти международные санкции и создать собственное обогащение урана для своей военной и энергетической ядерной программы. Эту же технологию с похожими целями в тот период пыталась внедрить Бразилия, но позже отдала предпочтение центрифугам. Отказавшись от ядерно-оружейных планов, ЮАР и Бразилия больше не находили смысла в развитии этой технологии в силу ее экономической неэффективности. Такое же соображение оттолкнуло от внедрения этого процесса и ФРГ.

В разных странах велись исследования и по другим принципам обогащения урана, в том числе использующим химические изотопные эффекты и лазер, однако они не вылились во внедрение таких технологий хотя бы в ограниченном масштабе.

РАСКРУТКА

В первые десятилетия атомной эры – в период первоначального накопления оружейных материалов – приоритетной задачей была максимизация объема производства U 235 . Экономика процесса играла второстепенную роль. Поэтому предпочтение было отдано технологии газовой диффузии, способной обеспечить массовое обогащение, пусть и с огромными затратами. При этом гонка вооружений, темп, взятый Соединенными Штатами в наращивании ядерного потенциала, требовал от СССР существенного увеличения объемов обогащения. Между тем Советский Союз испытывал недостаток энергетических мощностей для газовой диффузии, особенно в энергосистемах Европы и Урала, где сосредоточена значительная часть населения и экономического потенциала, а значит, и потребления электроэнергии. Это, наряду с другими факторами, мешало Советскому Союзу на первых порах добиться ядерного паритета с Соединенными Штатами, которые обладали значительно большим энергетическим и экономическим потенциалом и резервами мощности.

В том числе для решения этой проблемы в СССР первоначально закладывались сибирские ГЭС, и в Сибири же были построены новые мощности по обогащению урана. Спроектированные тогда гидростанции, на тот момент крупнейшие в мире, были призваны обеспечить базовой энергией, в том числе новые газодиффузионные заводы. Однако решением, позволившим развязать проблемный узел, стало внедрение центрифужных технологий. На том этапе СССР существенно опередил остальные государства в модернизации сферы обогащения урана. Хотя ряд стран, например США, Франция, Италия, Швеция и другие, и рассматривали возможность внедрения центробежной технологии, но в XX веке не вывели ее за пределы опытных установок. В СССР монтаж первых промышленных центрифуг начался в конце 1950-х годов, в 1960-е годы их массовое внедрение происходило параллельно с наращиванием газодиффузионных мощностей, а позже началась широкомасштабная замена газовой диффузии. Этот переход позволил частично решить энергетическую проблему, оптимизировав затраты ресурсов, но в еще большей мере – поднять производительность обогащения. Таким образом, дефицит ресурсов и гонка вооружений сыграли важнейшую роль в том, что СССР выстроил наиболее эффективный в мире обогатительный комплекс, опередив западные страны в области промышленного внедрения центрифуг минимум на полтора десятилетия.

Переход СССР на центрифужные технологии держался в секрете, и Запад на первом этапе его не заметил, хотя о советских НИОКР в сфере центрифуг в 1950-е годы было хорошо известно, в частности, от сотрудников М. Штеенбека, оказавшихся на Западе. Так, в сверхсекретном совместном докладе разведывательных служб США о советской ядерной программе, представленном руководству страны в 1965 году, нет ни слова о центрифугах. Как следует из документа, рассекреченного три года назад, американская разведка исходила из применения в СССР исключительно газодиффузионных технологий обогащения урана. Все оценки состояния и прогнозы перспектив разделения в последующее десятилетие базировались также только на развитии газовой диффузии. При этом, как отмечается в документе, специалисты ЦРУ и других служб основывают выводы о мощностях советских разделительных заводов (локализация которых установлена верно) «преимущественно на оценках потребления электроэнергии и эффективности предприятий». Учитывая, что в период подготовки доклада американской разведки СССР полным ходом осуществлял первый этап массового внедрения центрифуг, оценки на основе показателей энергорасхода и эффективности газодиффузионного процесса, очевидно, приводили ко все более заниженным выводам относительно масштабов производства обогащенного урана в Советском Союзе – фактическим и тем более перспективным.

Тот факт, что американцы вовремя не заметили качественной модернизации обогатительного комплекса СССР, породил, очевидно, некоторую самоуспокоенность и сыграл роль в консервации неэффективной модели обогащения в США. Пока СССР и Европа интенсивно переходили на центрифужные технологии, США, хоть и проводили НИОКР по этой тематике, в то же время продолжали рассматривать расширение газодиффузионных заводов: достаточно сказать, что в 1970-е годы появились и стали осуществляться планы увеличения их мощности с 17 млн ЕРР до примерно 28 млн ЕРР с тем, чтобы обеспечивать потребности не только американской энергетики, но и АЭС других западных стран. Между тем три действовавших в то время в США газодиффузионных завода потребляли 6 – 7 ГВт электрической мощности в круглосуточном базовом режиме.

Европа опередила США в выстраивании эффективного обогатительного комплекса прежде всего благодаря развитию ядерной генерации и возникновению в связи с этим в конце 1960-х годов рынка обогащения. Выход обогащения из военной сферы в гражданскую рыночную потребовал повышения экономической эффективности процесса изотопного разделения как крупнейшей составляющей цены ядерного топлива. Это стало благоприятной почвой, в которую упало «центрифужное зерно». Не случайно именно тогда – в начале 1970-х годов – и возникла URENCO. Таким образом, если в СССР переход на центрифужные технологии поначалу стимулировался в основном военными потребностями, то на Западе – в первую очередь требованиями гражданской ядерной энергетики.

Осмыслив, наконец, эти тенденции, Вашингтон на границе 1970 – 1980-х годов активизировал научные исследования в сфере обогатительных технологий, намереваясь найти перспективную замену газовой диффузии. В конце 1970-х годов было принято решение о строительстве центрифужного завода мощностью около 9 млн ЕРР в Пайктоне, штат Огайо. Однако в середине 1980-х годов эти планы отменили.

ПОДСВЕТКА

Как видно, 30 – 40 лет назад США задумали одним махом наверстать отставание в технологиях обогащения с помощью создания самых производительных в мире центрифуг и последующим переходом к технологии следующего поколения – лазерной. Однако ни того, ни другого не получилось. Неблагоприятная конъюнктура энергетических рынков (основным потребителем ЕРР в 1980-е годы уже была ядерная энергетика) и ситуация с ядерными программами (в 1980 – 1990-е годы были свернуты десятки проектов сооружения АЭС в США и других странах) не способствовали огромным капиталовложениям в замену разделительных заводов. В итоге в XXI веке Вашингтон, отстав уже от всех лидеров по обогащению урана, опустился на землю и решил внедрять самые разные технологии на деньги частных инвесторов – американские центрифуги, модели URENCO и, наконец, лазерное обогащение.

Эксперименты с лазерным обогащением начались более 40 лет назад и проводились во многих странах: в США, СССР, Германии, ЮАР, Японии, Франции, Австралии, Израиле и других. Наибольший размах эти работы имели в США, где они велись в том числе в рамках программы Минэнерго по исследованию инновационных методов разделения изотопов. Принцип разделения с помощью лазера прорабатывали в те годы Лос-Аламосская национальная лаборатория, Окриджская национальная лаборатория, Ливерморская национальная лаборатория, исследовательская лаборатория Avco-Everett совместно с нефтяной компанией Exxon и другими. К основным технологиям, которые тогда исследовались, относятся AVLIS и MLIS.

В середине 1980-х годов в качестве технологии для перспективного внедрения была выбрана AVLIS. Однако в 2000 году компания USEC, бывшая государственная, а впоследствии частная, отказалась от лазерного разделения, вернувшись к рассмотрению центробежных методов обогащения. Позже планы внедрения лазера в процесс обогащения появились у других компаний. В сентябре 2012 года компания Global Laser Enrichment LLC (GLE) – консорциум General Electric, Hitachi и Cameco – получила лицензию Комиссии по ядерному регулированию (NRC) США на строительство лазерного разделительного завода мощностью до 6 млн ЕРР на площадке действующего совместного предприятия GE, Toshiba и Hitachi по фабрикации топлива в Уилмингтоне, штат Северная Каролина. Проект, допускающий обогащение урана до 8 %, базируется на лазерной технологии SILEX, разработанной официально в Австралии; право на ее внедрение в США получено в 2006 году у австралийской компании Silex Systems в обмен на выплату периодических бонусов. Кроме того, в начале 2013 года GLE предложила Минэнерго обсудить возможность строительства на территории ныне остановленного газодиффузионного завода в Падьюке, штат Кентукки, предприятия по обогащению хвостов гексафторида урана на основе лазерной технологии. В настоящее время GLE осуществляет программу строительства и эксплуатации демонстрационной установки, использующей технологию SILEX. Согласно отчетам компании, демонстрационная программа осуществляется по плану и находится на этапе демонстрации технической состоятельности технологии. За этим последует доводка демонстрационной установки с целью определить экономические показатели будущего промышленного предприятия.

Между тем именно экономика лазерного обогащения – один из ключевых пунктов, вызывающих вопросы у специалистов. Техническая осуществимость сепарации изотопов урана с помощью лазера была доказана лет сорок назад, демонстрационные установки строились и раньше (например, подобная линия была пущена в 1990-е годы в Ливерморской национальной лаборатории и давала небольшие партии продукции по технологии AVLIS). Однако экономическая эффективность таких процессов неоднократно ставилась под сомнение. Заявления о скором внедрении лазерных технологий и даже о конкретных планах строительства «вот-вот» заводов по лазерному разделению тоже звучали уже не раз, начиная с 1970-х годов, но заканчивались ничем. Будет ли иначе в этот раз – покажут ближайшие годы.

ГЛОБАЛИЗАЦИЯ

В последние десятилетия ведущие ядерные державы поочередно свернули широкомасштабную наработку оружейного урана. Отчасти потому, что нашли ему эффективные замены, а частично оттого, что, накопив оружейных материалов всякого рода в количествах, достаточных для уничтожения человечества десятки раз, стали приходить к мысли, что нескольких раз, пожалуй, будет вполне достаточно. И начался обратный процесс – перевода сотен тонн высокообогащенного урана в низкообогащенный.

Параллельно с этим, и в какой-то мере благодаря этому, роль ядерной энергетики как потребителя услуг по обогащению возросла до определяющей. А ядерная генерация – это коммерческий вид деятельности, который особенно требует оптимизации стоимости конечного продукта. Спрос на разделение изотопов урана стал диктовать условия: необходимость удержания цены ЕРР на приемлемом уровне. Переход обогащения из военно-стратегической категории во все более рыночную в конце концов похоронил газовую диффузию. Теперь соревнование разворачивается между центрифужными технологиями, а впоследствии может возникнуть конкуренция и самим центрифугам – со стороны того же лазерного способа разделения изотопов.

Словом, если в первые десятилетия освоения атомной энергии обогащали, не считаясь с ценой, то позже на первый план выдвинулась экономика процесса. В результате совершенствования технологий их эффективность возрастает настолько, что это становится небезопасным. Возникает парадокс: технологии многократно усложнились и достигли высокой степени совершенства, но при этом перестали быть эксклюзивом. Их получили страны, далеко не относившиеся к числу развитых, а подчас стабильных и предсказуемых (Пакистан, Иран, Бразилия, Аргентина). И многие эксперты не без оснований опасаются, что расширение «ядерного клуба» не закончено. И если крупный газодиффузионный завод трудно построить и невозможно скрыть, а центрифуги требуют большой возни, чтобы результативно использовать их не по заявленному мирному назначению, то лазерные технологии могут стать особого рода «ядерным чемоданчиком». Для кого-то его эффективность и компактность может оказаться гораздо важнее стоимости. Получается, что перейдя с военных рельсов на рыночные, технологии обогащения урана сами становятся товаром – для тех покупателей, кто не считается с ценой.

ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ УРАНА

Термодиффузия
Принцип термодиффузии состоит в использовании небольшой разницы концентраций легких и тяжелых изотопов в зонах с разными температурами – в нагретой области содержание легких молекул несколько возрастает. Термодиффузия возможна как в газовой, так и в жидкой фазах. В США этот принцип был использован в варианте жидкостной термодиффузии в специальных колоннах, в каждой из которых создавалась разность температур между нагреваемым сердечником и охлаждаемыми водой стенками, а также конвекция. Наложение двух этих процессов обеспечивало повышение концентрации и отбор U 235 в верхней части колонны, а U 238 – в нижней. Более 2,1 тыс. таких колонн были смонтированы к началу 1945 года на одной из площадок в Окридже. Колонны представляли собой установки высотой 14 метров, состоящие из трех слоев: двух коаксильных труб – внутренней медной и внешней никелевой, заключенных в наружную оболочку из нержавеющей стали. Медная труба служила паропроводом, между медной и никелевой трубами подавался под давлением гексафторид урана; между никелевой трубой и стальной оболочкой циркулировала охлаждающая вода. На таких установках осуществлялось первоначальное обогащение урана до уровня около 1 %, затем сырье поступало на газодиффузионные каскады, расположенные на соседней площадке. Эта технология требовала огромных удельных энергозатрат – гораздо выше газовой диффузии (площадка получала электроэнергию и технологический пар для нагрева сердечников от крупнейшей в то время в мире ТЭЦ, расположенной рядом) – и была сопряжена с повышенными рисками коррозии установок и утечки. Учитывая к тому же низкую эффективность этого способа, его применение оправдывалось лишь относительной технической простотой, а также спешкой с наработкой оружейных материалов в последний год войны. Не удивительно, что термодиффузионный завод проработал всего около года.

Электромагнитная сепарация
Электромагнитный способ разделения изотопов основан на различии удельных зарядов их ионов (соотношения величины заряда и массы). При этом методе осуществляется испарение и ионизация вещества, ионы разгоняются магнитным полем по кривой траектории и улавливаются специальными сборниками, поставленными под углами к ионному пучку. При этом радиус кривизны траектории тяжелых ядер, как правило, несколько больше (отличия могут исчисляться миллиметрами). Электромагнитный сепаратор по сути представляет собой разновидность масс-спектрометра, применяемого в лабораторных условиях. Этот метод стал исторически первой промышленной технологией обогащения урана: подобные установки, названные калютронами, начали эксплуатироваться в США в конце 1943 года на построенном в Окридже разделительном заводе Y-12, где в ходе Манхэттенского проекта применялись две серии таких машин, работавших последовательно – более производительные калютроны второй серии дообогащали уран за машинами первой, а также за соседними термодиффузионным комплексом S-50 и газодиффузионным заводом K-25. В отличие от газовой диффузии, принципы устройства калютронов не были новостью ни для США, ни для СССР, поскольку были во многом схожи с применявшимися до войны циклотронами. В США разработку калютронов вел Эрнест Лоуренс – создатель первого в мире циклотрона. В СССР начиная с 1930-х годов строились циклотроны и другие виды ускорителей, в том числе действовал крупнейший за пределами США циклотрон Радиевого института в Ленинграде. Промышленные калютроны отличались очень высоким коэффициентом разделения (оружейный уран мог получаться за два-три прохода через электромагнитные сепараторы), но низким объемом производства (несколько граммов высокообогащенного урана в сутки). К недостаткам метода относятся высокая трудоемкость и необходимость частой остановки процесса для очистки мишеней, а также высокая энергоемкость. По этим причинам от электромагнитной сепарации быстро отказались как от способа обогащения урана в промышленном масштабе. Однако продолжилось использование этого метода для получения небольших количеств активных и стабильных изотопов.

Газодиффузионный метод
Суть метода заключается в использовании различий в скорости проникновения изотопов урана через микропористые перегородки. Поскольку U235 преодолевает такое препятствие с несколько большей среднестатистической скоростью, за перегородкой образуется повышенное (на 0,3 – 0,4 % от цифры концентрации) содержание легкого изотопа. Нужная степень обогащения достигается выстраиванием каскадов с тысячами ступеней. Этот метод позволяет получить уран с очень широким и дробным спектром степеней обогащения (практически любые значения от слабообогащенного до оружейного), но требует огромных энергозатрат – порядка 2,4 – 2,5 тыс. кВт. ч / ЕРР, что среди прочего делает текущую стоимость производства очень высокой. Капитальные затраты также чрезвычайно велики, поскольку для крупных газодиффузионных заводов необходимы строительство производственных площадей, измеряемых миллионами квадратных метров, массовый монтаж мощных компрессоров, обеспечение пониженного давления в огромной цепи оборудования, применение ряда дорогостоящих материалов и т. д. Первый в мире промышленный газодиффузионный завод был построен к весне 1945 года на площадке K-25 в Окридже. Последний крупный комплекс такого рода – в Падьюке, штат Кентукки в США, был окончательно остановлен в середине нынешнего года.

Центробежное обогащение
Принцип центрифугирования заключается в разделении изотопов в газообразной фазе с помощью центробежных сил, возникающих в роторе, вращающемся с частотой 50 – 100 тыс. оборотов в минуту и более. На периферии ротора возникают зоны повышенной плотности газа, где концентрация тяжелых изотопов выше, а в центре – зоны пониженной плотности с превышением содержания легких изотопов. Кроме того, в центрифуге создается осевая циркуляция газа (противотоки вдоль периферии и центральной части), которая существенно повышает эффективность этого метода и позволяет осуществлять регулярный отбор газа. Для урана центрифугирование является наиболее технически и экономически эффективным из применяемых сегодня промышленных методов обогащения. У центрифуги имеется ряд преимуществ над другими используемыми методами разделения изотопов урана. Так, в отличие от других способов, разделение в роторе осуществляется в условиях термодинамического равновесия, что снижает необходимость дополнительных энергозатрат. На центрифугирование расходуется в десятки раз меньше энергии (50 – 60 кВт. ч / ЕРР), чем на газовую диффузию. Кроме того, эффективность центробежного метода пропорциональна абсолютной разнице масс изотопов, в отличие от других способов обогащения, в которых результативность процессов прямо связана с отношением этих масс. Коэффициент разделения в центрифугах зависит от конструкции, но может составлять 1,1 – 1,3, что в десятки раз выше газовой диффузии. В то же время производительность одной центрифуги невелика: у старых конструкций она не превышала 1 ЕРР в год, у современных российских центрифуг, составляющих основу парка – в пределах 5 – 10 ЕРР, у центрифуг URENCO – несколько десятков ЕРР, у последних концептуальных конструкций, разработанных в США – 300 – 400 ЕРР. То есть для промышленного обогащения требуются сотни тысяч и миллионы центрифуг. В то же время центрифужный метод имеет значительный потенциал повышения эффективности. Производительность центрифуги в идеале пропорциональна длине ротора и четвертой степени линейной скорости вращения и обратно пропорциональна температуре газа. Отсюда следуют возможные направления прогресса центрифужных технологий: прежде всего это увеличение скорости, а также удлинение ротора и поддержание достаточно низкой температуры в нем. Однако при возрастании скорости ротор в зависимости от его характеристик, прежде всего геометрических пропорций, подходит к определенным резонансным частотам, прохождение которых сопряжено с разрушающими осевыми колебаниями. Поэтому повышение скорости сверх определенного уровня, то есть создание так называемых надкритических центрифуг, требует мер, противостоящих разрушению: применения высокопрочных и гибких материалов, средств компенсации колебаний, обеспечения быстрого прохода критических частот и т. д. Решение этих и других технических задач на протяжении истории центрифужного обогащения урана позволило повысить эффективность метода на 1 – 2 порядка, и резерв для дальнейшего развития не исчерпан. В то же время к трудностям развития центрифуг относятся исключительные требования к безопасности: любые нештатные внешние воздействия на отдельно взятую машину (например, сейсмические) могут вызвать неуправляемые колебания, в результате чего разрушение одной центрифуги может вылиться в развитие аварии по прогрессии. Это предъявляет сверхвысокие требования, в частности, к устойчивости работы машины, средствам контроля, защитной оболочке ротора и ограничивает погоню за производительностью.

Аэродинамическая сепарация
Принцип заключается в создании с помощью компрессоров вихревых потоков газа или смеси газов, содержащих уран (например, шестифтористого урана в смеси с водородом или гелием). В газе, подаваемом под тем или иным давлением (0,4 – 6 атмосфер в зависимости от технологии) через искривленные сопла на неподвижные препятствия определенной конфигурации либо внутрь трубы просчитанных геометрических параметров, образуются завихряющиеся потоки. В этих потоках происходит слабое разделение на зоны большей концентрации легких или тяжелых изотопов, которые улавливаются. Этот метод технически проще осуществим, чем газодиффузионный и центрифужный методы технологии обогащения. Степень разделения на каждой элементарной стадии аэродинамической сепарации в несколько раз выше, чем для газовой диффузии, но уступает показателям современных центрифуг. В то же время затраты энергии при аэродинамической сепарации в 1,5 – 2 раза превышают показатели газодиффузионных машин, не говоря о центрифугах, что делает этот метод экономически неконкурентоспособным.

Технологии обогащения с помощью лазера
Этот принцип разделения изотопов урана, пригодный для большинства других элементов, основан на возможности избирательного перевода атомов или молекул с помощью лазера в возбужденное состояние, которое позволяет отделить нужный изотоп (или соединение с ним) от смеси с другими. Принцип базируется на небольшом отличии (сдвиге) квантовых переходов для разных изотопов одного и того же вещества, что дает возможность настроить характеристики лазера для возбуждения нужных изотопов. При всем разнообразии вариантов, подобные технологии делятся на ряд групп по схожести используемых методов. К первой относятся способы ионизации урана, прежде всего атомарного пара, с последующим отбором U 235 с помощью магнитного поля. К технологиям этого рода относится AVLIS. Вторая группа способов основана на избирательной диссоциации (развале) молекул урансодержащего вещества (того же UF 6) с помощью лазера. При этом варианте молекулы с U 235 возбуждаются лазером, затем с помощью интенсивного электромагнитного излучения производится их диссоциация. Новообразованные компоненты могут быть удалены из смеси химическим способом. Подобные принципы использовались в американской технологии MLIS, французской MOLIS, японской RIMLIS и др.

К другой группе относятся способы разделения, заключающиеся в активации с помощью лазера молекул с нужным изотопом, которые в возбужденном состоянии склонны к вступлению в химическую связь с определенным реагентом. К таким процессам относится CRISLA. Технология SILEX, внедрение которой в настоящее время планируется в США и детальный механизм действия которой держится в секрете, вероятно, относится к способам, использующим фотохимическую реакцию с участием гексафторида урана. К достоинствам лазерного метода можно отнести высокий коэффициент разделения, который позволяет минимизировать потребность в каскадировании, резко снизить содержание U 235 в хвостах, обеспечить относительную компактность разделительных комплексов. Энергозатраты лазерного процесса могут быть в разы ниже центрифуг. Другим потенциальным преимуществом является высокая избирательность (селективность), которая позволяет адресно выбирать нужный изотоп из различных по составу смесей. Более того, лазерный метод в принципе дает возможность разделять ядерные изомеры (одинаковые изотопы одного элемента, отличающиеся энергетическим состоянием ядра). Последние два достоинства открывают новые перспективы для процессов обогащения и переработки ОЯТ, позволяя осуществлять более эффективное выделение тех или иных компонентов смеси, добиться лучшей очистки от ненужных примесей.

Еще одним преимуществом может стать быстрый переход лазерной разделительной установки на стационарный режим работы и быстрый выход из него, что позволяет оперативно перестраивать участки производства под конкретные нужды. К проблемам лазерного принципа обогащения относятся его неясные и по сей день экономические параметры. Предыдущие попытки создать технологию промышленного уровня наталкивались на недостаточную производительность и низкий ресурс оборудования, а также на трудности увеличения масштаба процесса от лабораторного уровня до промышленного производства.

Ингард ШУЛЬГА

О запуске первого советского спутника 4 октября 1957 года с ликованием узнал весь мир. А событие, произошедшее 4 ноября того же года в Верх-Нейвинске, долго оставалось тайной для самых лучших разведок мира. Там был пущен опытный завод, на котором обогащать уран стали методом центрифужного разделения изотопов.

Александр Емельяненков

На заре создания ядерных вооружений одной из основных ключевых проблем стало разделение изотопов урана. Этот тяжелый радиоактивный металл встречается в природе в виде смеси двух основных изотопов. Основную долю (чуть меньше 99,3%) составляет уран-238. Содержание более легкого изотопа — урана-235 — составляет всего 0,7%, но именно он необходим для создания ядерного оружия и работы реакторов.

Разделить изотопы совсем не просто. Их химические свойства идентичны (в конце концов, это один и тот же химический элемент), а разница в атомной массе составляет чуть более 1%, так что физические методы для разделения должны иметь очень высокую избирательность. Этот вопрос в 1950-х стал одним из решающих моментов, которые определили успех советской ядерной отрасли и заложили основу для современной конкурентоспособности российской ядерной промышленности на мировом рынке.

Сквозь сито

Самым простым методом разделения является газовая диффузия — «продавливание» газообразного сырья (гексафторид урана) сквозь мелкопористую мембрану, при этом различные изотопы диффундируют сквозь поры с различной скоростью. Именно газовая диффузия стала первым методом, который использовался для получения промышленных количеств урана-235 на первых обогатительных комбинатах. В США разработки в области газовой диффузии для Манхэттенского проекта велись под началом лауреата Нобелевской премии Гарольда Юри. В СССР до 1954 года этим направлением руководил академик Борис Константинов, потом его сменил Исаак Кикоин.

Поначалу, как это нередко бывает, метод газовой диффузии казался доступнее в реализации. Но он требовал огромных затрат электроэнергии — Саяно-Шушенская ГЭС и первая очередь Белоярской атомной, как теперь выясняется, строились прежде всего для этих целей. Кроме общей дороговизны и низкого КПД, метод газовой диффузии был небезопасен для работающих — главным образом из-за высоких температур и шума в цехах. Плюс большие объемы химически активных смесей под давлением, а это потенциальные выбросы и загрязнение окружающей среды. Между тем альтернатива газодиффузионному методу была известна с конца XIX века — это центрифужный метод, сулящий весьма значительную экономию: когда в 1958 году завод в Верх-Нейвинске вышел на расчетный режим, оказалось, что энергопотребление на единицу разделения в 20 (!) раз меньше диффузионного метода, а себестоимость — вдвое меньше. Правда, на пути создания центрифуг конструкторов поджидали многочисленные технологические сложности.

Электромагнитное разделение. Основано на движении заряженных частиц (ионов) в магнитном поле. В зависимости от массы частиц кривизна их траектории при этом различна, и даже небольшая разница в атомной массе ядер изотопов урана дает возможность их разделения. Такие установки, называемые калютронами, использовались в американском Манхэттенском проекте, поскольку позволяли получить очень высокую степень обогащения урана за считанные проходы. Однако калютроны очень громоздки, дороги в обслуживании, потребляют много энергии и имеют низкую производительность, так что сейчас для промышленного обогащения урана не используются.

Немецкие корни

Истоки советской технологии центрифуг берут свое начало в нацистской Германии, где в рамках атомного проекта велись эксперименты по разделению урана. Один из участников этого проекта, инженер-физик Геронт Циппе, оказался среди других немецких военнопленных, отправленных в СССР. Под началом Макса Штеенбека, своего соотечественника и тестя, Циппе до 1954 года занимался экспериментальными исследованиями — сначала в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физико-технический институт), а последние два года — в особом конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде.

Как свидетельствуют участники и очевидцы тех событий, немецкие ученые не знали отказа в материалах для исследований. И режим у них был почти такой же, как у наших секретных атомщиков, которых столь же плотно опекало ведомство Берии. В июле 1952 года специальным постановлением правительства Штеенбека и его помощников перевели из Сухумского института в Ленинград, в ОКБ Кировского завода. Да еще усилили группу выпускниками политехнического института с профильной кафедры ядерных исследований. Была поставлена задача изготовить и испытать два агрегата по схеме Циппе-Штеенбека. За дело взялись горячо, однако уже в первом квартале 1953-го работу прекратили, не доводя до испытаний: стало ясно, что предложенная конструкция не годится для серийного производства.

Газовая диффузия. Использует разницу в скоростях движения молекул газа, содержащего различные изотопы урана (гексафторид урана). Различная масса обуславливает различную скорость молекул, так что легкие проходят мембрану с тонкими порами (по диаметру сравнимыми с размерами молекул) быстрее тяжелых. Метод прост в реализации и использовался на заре атомной отрасли в СССР, в США используется до настоящего времени. Степень обогащения каждой ступени очень мала, так что необходимы тысячи ступеней. Это приводит к огромному потреблению энергии и высокой стоимости разделения.

Центрифуга Циппе была не первой советской машиной подобного назначения. Еще во время войны в Уфе другой немец, Фриц Ланге, бежавший из Германии в 1936 году, изготовил громоздкий аппарат на подшипнике. Однако специалисты, знакомые с перипетиями атомного проекта в СССР и США, отмечают одно безусловное достижение группы Штеенбека — оригинальную конструкцию опорного узла: ротор опирался на стальную иглу, а эта игла — на подпятник из сверхтвердого сплава в масляной ванне. И вся эта хитроумная конструкция удерживалась специальной магнитной подвеской в верхней части ротора. Его раскрутка до рабочей скорости также производилась посредством магнитного поля.

В то время как проект группы Штеенбека потерпел фиаско, в феврале того же 1953 года была выведена на рабочие обороты газовая центрифуга с жестким ротором конструкции советского инженера Виктора Сергеева. За год до этого Сергеев с группой специалистов из особого КБ Кировского завода, где он тогда работал, был командирован в Сухуми для ознакомления с экспериментами Штеенбека и его команды. «Именно тогда он задал Штеенбеку технический вопрос о расположении отборников газа в виде трубок Пито, — приоткрыл важные подробности ветеран центрифужного производства ПО «Точмаш» Олег Чернов, хорошо знавший Сергеева и работавший вместе с ним. — Вопрос был сугубо техническим и содержал, по сути, подсказку, как сделать конструкцию центрифуги работоспособной». Но доктор Штеенбек проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила…»

Газовое центрифугирование с помощью быстро вращающегося ротора закручивает поток газа таким образом, что молекулы, содержащие более тяжелые изотопы урана, центробежная сила отбрасывает к внешним краям, а более легкие — ближе к оси цилиндра. Центрифуги объединяют в каскады, подавая с выхода каждой ступени частично обогащенный материал на вход следующей ступени — так удается получать уран даже очень высокой степени обогащения. Центрифуги просты в обслуживании, надежны и характеризуются умеренным энергопотреблением. Метод используется в России и странах Европы.

По словам Олега Чернова, Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы. Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги в 13 странах. Первые лица в советском атомном ведомстве, узнав о таком интеллектуальном коварстве, шум поднимать не стали — если следовать официальной версии, «чтобы не вызывать подозрений и повышенного интереса к этой теме у военно-технической разведки США». Пусть, мол, думают, что Советы довольствуются неэкономичным, как и у них, газодиффузионным методом… В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, следует отдать должное, «Русской центрифугой». Однако увлечь американцев он не сумел. В отношении новой машины, как в свое время и по конструкции Штеенбека, был вынесен вердикт: для промышленного использования непригодна.

Степень обогащения одной газовой центрифуги невелика, поэтому их объединяют в последовательные каскады, в которых обогащенное сырье с выхода каждой центрифуги подается на вход следующей, а обедненное — на вход одной из предыдущих. При достаточном количестве центрифуг в каскаде можно получить очень высокую степень обогащения.

Правда, четверть века спустя в США все-таки решили перейти с газовой диффузии на центрифуги. Первая попытка не удалась — в 1985 году, когда были установлены первые 1300 машин, разработанные в Оук-Риджской национальной лаборатории, правительство США закрыло программу. В 1999 году на расконсервированной площадке в Пайктоне (штат Огайо) вновь начались работы по установке американских центрифуг нового поколения (в 10−15 раз больше российских по высоте и в два-три раза по диаметру) с ротором из углеродных волокон. По плану смонтировать 96 каскадов по 120 «волчков» предполагалось еще в 2005 году, но и к концу 2012 года проект все еще не запущен в коммерческую эксплуатацию.

Лазерное разделение изотопов урана основано на том, что молекулы, содержащие различные изотопы, имеют немного различные энергии возбуждения. Облучив смесь изотопов лазерным лучом строго определенной длины волны, можно ионизовать только молекулы с нужным изотопом, после чего разделить изотопы с помощью магнитного поля. Существует несколько разновидностей этого метода — воздействующие на атомный пар AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (французский аналог AVLIS), и на молекулы — MLIS (Molecular Laser IsotopeSeparation), CRISLA (Chemical Reaction Isotope Separation) и SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation). В настоящее время корпорация General Electric пытается коммерциализировать технологию SILEX, разработанную специалистами из ЮАР и Австралии. Лазерная сепарация имеет низкое энергопотребление, низкую стоимость и высокую степень обогащения (поэтому она используется сейчас для получения малых количеств сверхчистых изотопов), однако пока существуют проблемы с производительностью, со сроком службы лазеров и отбором обогащенного материала без остановки процесса.

Секретные иголки

А тем временем в СССР, в малоприметном местечке Верх-Нейвинск на Среднем Урале, в обстановке строжайшей секретности монтировалась первая опытная линия разделительных газовых центрифуг. Исаак Кикоин еще в 1942 году сталкивался с газовой центрифугой конструкции Ланге и даже испытывал ее в своей лаборатории в Свердловске. Тогда эксперименты желаемых результатов не дали, и академик скептически относился к самой возможности создания промышленных газовых центрифуг. Главной бедой самых первых установок была их недолговечность. И хотя вращались они поначалу со скоростью «всего» 10000 оборотов в минуту, совладать с огромной кинетической энергией ротора было далеко не просто.

— Машины-то ваши разрушаются! — язвительно упрекнул разработчиков на одном из совещаний в Минсредмаше 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.

При центрифужном методе разделения за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. За счет этого более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 «сбиваются» на периферии вращающегося цилиндра, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 концентрируются возле оси ротора. Через раздельные выводные трубопроводы (типа трубок Пито, о которых говорил советский инженер Сергеев немцу Штеенбеку) газ, содержащий изотопы U-238, выводится «в отвал», а обогащенная фракция с возросшим содержанием урана-235 перетекает в следующую центрифугу. Каскад таких центрифуг, содержащий сотни и тысячи машин, позволяет быстро увеличивать содержание легкого изотопа. Условно говоря, их можно назвать сепараторами, на которых превращенное в газ урановое сырье (гексафторид урана, UF6) с низким содержанием изотопа U-235 последовательно переводят из консистенции парного молока в сливки и сметану. А при необходимости могут и «масло» сбить — довести обогащение до 45%, а то и 60%, чтобы использовать в качестве топлива в реакторах подводных лодок и на исследовательских установках. А еще недавно, когда это требовалось в большом количестве, крутили центрифуги до тех пор, пока не получали на выходе дорогущий «сыр» — оружейный уран с обогащением более 90%. Но к концу 1980-х на четырех советских комбинатах «насепарировали» столько оружейного урана, что его запасы на складах и в готовых ядерных зарядах были признаны избыточными, и производство высокообогащенного урана для военных целей было прекращено.

По первоначальным расчетам, толщина наружных стенок корпуса центрифуги должна была быть 70 мм — как танковая броня. Попробуй такую махину раскрути… Но методом проб и ошибок нашли-таки компромиссное решение. Был создан специальный сплав — прочнее и легче стали. Корпуса современных центрифуг, которые одному из авторов довелось увидеть и подержать в руках на ПО «Точмаш» во Владимире, 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 Уральском электрохимическом комбинате из них собраны гигантские каскады длиною в сотни метров. Знаки на стенах и специальная разметка на окрашенном бетонном полу в технологических проходах указывают, что здесь принято перемещаться на велосипеде. Правда, не быстрее 5−10 км/ч.

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 30. Наверное, трудно найти другой пример, когда бы техника демонстрировала такую надежность при столь экстремальных параметрах. Как рассказал заместитель начальника центрифужного производства Валерий Лемперт, на комбинате в Новоуральске еще работают машины, которые «Точмаш» поставил туда 30 лет назад: «Это было, наверное, третье поколение центрифуг, а сейчас серийно производится восьмое и запускается в опытное производство девятое».

«В конструкции нашей центрифуги ничего сверхсложного нет. Все дело в отработке технологии до мельчайших деталей и строгом контроле качества, — объясняет Татьяна Сорокина, которая десятки 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 главных ее создателей — Виктор Сергеев. По свидетельству инженера Олега Чернова, на вопрос спецслужб, а что же нужно охранять в этом изделии и в чем его главный секрет, конструктор ответил лаконично: «Люди».