Зерна и плевелы ХХ века

Новоуральск и мировая история газотурбинной технологии разделения изотопов урана

Новоуральск и мировая история газотурбинной технологии разделения изотопов урана

Осенью 2014 года Уральскому электрохимическому комбинату (УЭХК; ЗАТО Ново­уральск Свердловской области) исполняется 65 лет.

Комбинат легендарен. Во-первых, это старейшее отечественное предприятие по обогащению урана. Во-вторых, крупнейшее в мире обогатительное предприятие, да и почти половина российских разделительных мощностей располагается в Новоуральске. Напомним, что такое процесс обогащения (разделения). Для использования урана как топлива или оружия необходима самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Ее может обеспечить изотоп уран-235. Вот только в природном материале его содержится всего 0,7%, остальное — уран-238 и следы изотопа уран-234. Но для бомбы необходимо, чтобы содержание урана-235 было не менее 90% (высокообогащенный уран — ВОУ), а для топлива — несколько процентов (низкообогащенный уран — НОУ). Обычно для повышения степени обогащения уран переводят в газообразное состояние — гексофторид урана, а потом разделяют: более легкий уран-235 — в одну сторону, тяжелый уран-238 — в другую, «в отвал». Вот только сделать это крайне непросто: вариация изотопов по массе — всего 1,3%, и ведут они себя фактически одинаково.

В-третьих, имя Уральского комбината неразрывно связано с появлением и внедрением в мировую практику так называемой газоцентрифужной (газотурбинной) технологии обогащения — технологии, которая с 1950-х годов и по сей день остается самой эффективной и перспективной. Именно она позволила отечественным атомщикам во второй половине ХХ века вырваться на первое место в мире в процессе разделения урана. На протяжении всей истории технологии все центрифуги проходили испытания на УЭХК и только потом получали путевку в промышленную эксплуатацию. Все они также работали и на разделительном производстве комбината. А с 1988 года Опытный цех разделительного производства УЭХК (ныне — Новоуральский научно-конструкторский центр) стал главным конструктором отечественных газовых центрифуг. А началось все с атомной бомбы.

Создание комбината

Через 14 дней после атомной бомбардировки Хиросимы постановлением Государственного комитета обороны за подписью Сталина был создан Специальный комитет для руководства всеми работами по использованию атомной энергии, главой комитета назначался Лаврентий Берия. Спецкомитет был наделен чрезвычайными полномочиями по привлечению любых ресурсов, имевшихся в распоряжении правительства СССР, к работам по атомному проекту. Для непосредственного руководства научно-исследовательскими, проектными, конструкторскими организациями и промышленными предприятиями было создано Первое главное управление при Совете народных комиссаров СССР (ПГУ), подчиненное Специальному комитету. Начальником ПГУ был назначен нарком боеприпасов Борис Ванников.

Первоочередными задачами ПГУ были организация промышленного производства урана-235 и плутония-239 (плутоний также обеспечивает самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию). Научную работу по плутонию поручили курировать Игорю Курчатову, на тот момент — заведующему Лабораторией № 2 Академии наук СССР (ныне Курчатовский институт), созданной в 1943 году для работ по урану. Ураном занялся Исаак Кикоин — с 1945 года заместитель заведующего лабораторией № 2.

Важным моментом стал выбор метода разделения урана. Для промышленного разделения изотопов урана рассматривались три способа: электромагнитный, газодиффузионный и центрифужный (при проектировании и эксплуатации получивший название газотурбинный). Все три были заслушаны на техническом совете Спецкомитета. Электромагнитный дает высокую степень разделения, но производительность очень мала: массовое производство на таком не наладишь. Физикам уже тогда виделось, что промышленное использование газовой центрифуги экономичнее. Однако разведка доносила, что американцы активно используют газовую диффузию, считая ее наиболее перспективной. В результате решение было принято в пользу газовой диффузии.

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе изотопов: если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и легкие молекулы урана-235 обгонят тяжелый уран-238. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке. Таким образом, во-первых, ключевой момент здесь — изготовление пористых мембран для разделения. Во-вторых, важно, что степень разделения одного цикла мала, и для получения ВОУ требуется множество таких циклов. А для нагнетания газа в мембраны с требуемым давлением используются мощные компрессоры, итоговое энергопотребление которых оказывается очень высоким.

Первый промышленный газодиффузионный каскад (завод Д-1) начали строить в Новоуральске в январе 1946 года. Строительство комбината было поручено Главпромстрою НКВД во главе с Александром Комаровским, генеральный проектировщик — ГСПИ-11, за научно-инженерную часть отвечал Исаак Кикоин. Первую продукцию Д-1 выдал в ноябре 1949 года. Сразу получить 90-процентный материал тогда не удалось: сначала нарабатывали 75-процентный, а потом его передавали на электромагнитный сепаратор, который был создан в Лесном (тогда — Свердловск-45). Кстати, Д-1 выдавал всего 100 грамм ядерного материала в сутки — то есть за год он нарабатывал количество, необходимое для создания лишь одной бомбы. Тем не менее именно с ноября 1949 года УЭХК (в то время Комбинат № 813) отсчитывает свою историю.

Создание технологии

Но нас интересует другая технология — газотурбинная. Идея этого метода в том, что при пропускании газообразной смеси изотопов (в виде гексафторида урана) через высокоскоростные газовые центрифуги центробежная сила разделяет легкие и тяжелые изотопы на разные слои, которые можно собрать по отдельности. Энергозатраты на вращение центрифуг на порядок меньше, чем потребность компрессора при газовой диффузии.

Работы по центрифужной технологии на территории СССР начались еще в 1935 году. Они имеют немецкие корни. В числе первой группы немецких антифашистов, бежавших в СССР, был физик Фритц Ланге (его новые советские документы были подписаны лично Сталиным), его пригласили для работы в Украинском физико-техническом институте в Харькове. Там Ланге занимался первой в Союзе проработкой привезенной из Германии идеи центрифужного способа обогащения урана. Свою первую горизонтальную центрифугу он сделал в 1942 году, а в 1943-м продемонстрировал ее Исааку Кикоину, который в то время работал в Свердловске в Уральском физико-техническом институте. Так что о принципиальной возможности реального воплощения центрифужного способа обогащения урана к моменту создания Специального комитета уже было хорошо известно.

Позже над центрифугами в СССР работали в Сухумском физико-техническом институте, куда были интернированы немецкие ученые, прежде занимавшиеся в Третьем рейхе урановым проектом. Именно им удалось в 1947 году раскрутить центрифугу с вертикальным гибким ротором. Это было сделано в лаборатории под руководством Макса Штеенбека, в которой также трудились инженеры Гернот Циппе и Рудольф Шеффель. В феврале 1952 года с результатами исследований группы Штеенбека была ознакомлена группа специалистов опытно-конструкторского бюро Ленинградского Кировского завода (ОКБ ЛКЗ).

В июле 1952 года вышло постановление правительства СССР о возложении задачи по созданию промышленной центрифуги на ОКБ ЛКЗ с учетом опыта работ группы Штеенбека. Основные работники группы были переведены в ОКБ ЛКЗ. Уже в 1953 году стало ясно, что предложенная Штеенбеком конструкция центрифуги не пригодна для промышленного изготовления и эксплуатации. В это же время группа сотрудников ОКБ ЛКЗ предложила конструкцию центрифуги с коротким жестким ротором, в который из центрифуги с гибким ротором была взята только упругая игла, на которой он вращался.

В 1954 году немецкие специалисты были переведены в Киев для работы по открытой тематике в АН УССР, а в 1956 году им было разрешено вернуться на родину. Макс Штеенбек уехал работать в Йенский университет (ГДР) и Академию наук ГДР. Гернот Циппе вернулся в Вену и вскоре с дружеского согласия Штеенбека запатентовал разработанную в ОКБ ЛКЗ центрифугу с жестким ротором на свое имя. Этот патент позже лег в основу технологии фирмы Urenco — нынешнего основного конкурента Росатома на рынке топливного урана (подробнее см. «Центробежная сила»); их машины так и называют центрифугами Циппе-типа. А в 1959 году в Берлин перебрался и Фритц Ланге.

В 1955 году министерство среднего машиностроения СССР (сформировано в 1953 году на базе ПГУ) взялось за создание первого опытного каскада из центрифуг. Построить его было решено в Новоуральске на месте остановленного к тому времени завода Д-1. Этот опытный цех состоял из 2432 машин, запускать его начали осенью 1957 года, в январе 1958-го он вышел на расчетный режим. И уже в феврале того же года приемочная комиссия Минсредмаша составила рекомендацию, где значилось, что центрифуги показали себя надежной технологией и имеют колоссальное преимущество перед газодиффузионной технологией с точки зрения энергопотребления — оно в 17 — 20 раз меньше. Для сравнения: на начало 1958 года диффузионное производство на УЭХК потребляло 3% всей производимой в Союзе электро­энергии — 850 МВт. Тогда для обеспечения деятельности УЭХК специально была построена Верхнетагильская ГРЭС.

В мае 1958 года на научно-техническом совете Минсредмаша под председательством Игоря Курчатова было выдано заключение о целесообразности и необходимости строительства газоцентрифужного завода на основе центрифуг, спроектированных в ОКБ ЛКЗ. Строительство корпуса началось в 1960 году, оснащение — в 1961-м,
и в 1962 — 1964 годах тремя пусковыми очередями первый в мире газотурбинный завод по обогащению урана был введен в эксплуатацию.

Уже в период пуска характеристики производства показали, что расчет ученых, проектировщиков и конструкторов на снижение энергопотребления оправдался с лихвой — центрифуги потребляли электричества в десятки раз меньше. А вскоре министерством и вовсе было принято решение о постепенном полном отказе от газодиффузионной технологии в пользу центрифужной. До конца в Новоуральске осуществить это удалось к 1987 году. А в 1989 году на УЭХК было полностью прекращено производство оружейного урана.

Развитие технологии

В 2012 году на УЭХК успешно прошли опытно-промышленные испытания газовых центрифуг девятого поколения, и атомщиками было принято решение о пуске машин в серийное производство для последующего внедрения на всех отечественных обогатительных комбинатах — сегодня это новейшее поколение центрифуг, используемых в промышленности. Всего сейчас в Новоуральске на производстве трудятся центрифуги пятого, шестого, седьмого, восьмого и девятого поколений.

Кратко очертим историю развития технологии с 50-х годов и до нашего времени. Для начала поясним, что разделительная мощность центрифуги пропорциональна, во-первых, длине (высоте) ротора, во-вторых — четвертой степени скорости вращения ротора. Хотя четвертая степень достижима только в теории, на практике же мощность пропорциональна не менее чем квадрату скорости вращения. Однако уже из этого соотношения понятно, что наращивать скорость вращения выгоднее — отдача больше. Это и стало основной идеей разработчиков при конструировании машин до девятого поколения включительно.

Поэтому работа сначала шла по совершенствованию материалов устройства для придания прочности — чтобы не позволять ротору разрушаться при бешеном вращении. Первые центрифуги попросту изготавливались из алюминиевого сплава; потом концевые детали стали усиливать металлической проволокой — это устройства первых трех поколений. Затем для прочности стали делать оболочку из стеклопластика: машины четвертого, пятого и шестого поколений по существу различались тем, что в центрифугах использовалось все более прочное стекло, а его доля в составе конструкции возрастала. Все это позволяло увеличивать скорость вращения ротора.

Но в начале 1990-х годов стало ясно, что еще более прочное стекло получить просто невозможно. В принципе, говорят инженеры, можно было выходить на совсем экзотические вещи типа бериллиевого стекла, но это критически удорожало стоимость. Решили пойти по пути увеличения длины. Для этого было необходимо использовать угольную ужесточающую оболочку, которая бы не позволяла гнуться длинному ротору.

Центрифуга последнего девятого поколения в некотором смысле продолжает тенденцию седьмого и восьмого поколений. В ней также используются многослойные композитные материалы — это первая оте­чественная надкритическая промышленная центрифуга. Это очень важный момент. Дело в том, что если соотношение длины ротора к его диаметру больше пяти, то для выхода на рабочую скорость центрифуге необходимо пройти так называемую резонансную частоту, на которой возникает большая вероятность задевания ротором внешней стенки. В случае девятого поколения центрифуг проблема решается за счет сложного демпфирования колебаний ротора — это трудная техническая задача.

Кстати, центрифуга Штеенбека — Циппе была трехметровой при диаметре всего в 58 мм, но они ухитрялись раскрутить этот гибкий вал до нужной скорости, проходя ряд критических частот. В 1953 году наши конструкторы заявили, что создать надкритическую промышленную машину будет очень тяжело, и поэтому до девятого поколения отечественные центрифуги были короткими — подкритическими. Но в Urenco раньше пошли по пути наращивания длины вала, это еще идея Макса Штеенбека, поэтому на Западе давно уже работают с высокими надкритическими машинами.

Дополнительные материалы:

Центробежная сила

О международном опыте использования центрифужной технологии обогащения урана мы расспрашиваем Геннадия Соловьёва, советника гендиректора УЭХК по науке

— Геннадий Сергеевич, кто сегодня обладает центрифужной технологией обогащения урана?

— Во-первых, это наши четыре завода: УЭХК в Новоуральске (это крупнейшее в мире разделительное предприятие), Ангарский электролизный химический комбинат в Иркутской области, Сибирский химический комбинат в Северске Томской области и ПО «Электрохимический завод» в Зеленогорске Красноярского края.

Во-вторых, центрифужная технология есть у нашего основного конкурента на мировом рынке топливного урана — англо-немецко-голландского консорциума Urenco. У них три собственных завода в Европе: в Капенхерсте в Англии, в Альмело в Нидерландах и в Гронау в Германии. Кроме того, в 2010 году они начали строить совместный с американцами завод в штате Нью-Мексико (городок Юнис) с использованием тех же производимых в Европе центрифуг. На сегодня объявлено, что суммарная мощность четырех предприятий достигла 18 млн единиц работы разделения (ЕРР) в год.

В 2011 году французская Areva запустила первую очередь нового центрифужного завода Georges Besse II, и к 2016 году там планируют нарастить мощность до 7,5 млн ЕРР в год. Но технология у французов все та же: в 2006 году Areva приобрела у Urenco 50% акций предприятия Enrichment Technology Company по производству центрифуг. По сути, так Areva обеспечила себе доступ к центрифугам Urenco.

В 2011 году наш «Техснабэкспорт» ввел в строй четвертую (последнюю) очередь газоцентрифужного завода в Ханжунге в Китае — мы его возводили в рамках «оказания технического содействия КНР» по межправительственному соглашению 1992 года. Суммарная мощность разделительных предприятий, построенных Россией, небольшая — 1,5 млн ЕРР в год. Но в 2010 году китайцы заявили, что они сделали свою центрифугу, и в 2013 году даже запустили собственный промышленный каскад. Однако никакой конкретики китайцы не открывают, так что оценивать «самостоятельность» разработки я не возьмусь.

В 1990-х годах собственную центрифугу пытались сделать японцы. И поначалу им это удавалось, но потом они зашли в какой-то непреодолимый технологический тупик: они довели мощность своего завода до 1 млн ЕРР, а потом были вынуждены его остановить насовсем. Позже они пытались заключить соглашение с Urenco, но не вышло. Скорее всего, дело в потенциальной сейсмической опасности: Urenco производит высокие надкритические машины, очень чувствительные к малейшим колебаниям. Затем японцы хотели обратиться к нам, но тогдашний министр по атомной энергии Александр Румянцев запретил нам вести с ними переговоры о возможности совместного создания центрифуг.

Сейчас известна информация, что строится центрифужный завод в Бразилии. Объявлено, что запуск первой очереди мощностью 125 тыс. ЕРР в год запланирован на 2016 год. Известно, что небольшие центрифужные установки имеются в Иране, Индии, Пакистане и северной Корее, основанные на газоцентрифужной технологии, нелегально вывезенной с предприятий Urenco.

— А американцы?

— Собственной газоцентрифужной технологии в США до сих пор нет. В 1970-х годах, когда стало известно, что в СССР и Urenco используют газоцентрифужную технологию, в Штатах начались масштабные работы по созданию центрифуги. По разным оценкам, они вложили несколько миллиардов долларов, но в 1978 году проект закрыли, не добившись успеха. Недавно они снова реанимировали закрытые тогда исследования, и разработка снова ведется. Сейчас они пытаются сделать очень большую и эффективную центрифугу. В 2013 году в Штатах состоялся запуск пилотного каскада таких машин, в 2012 году произошла авария с разрушением нескольких центрифуг; но НИОКР по этому типу машин все равно продолжаются.

— Но почему американцы сразу не пошли по этому пути, ведь фундаментальные основы процесса были давно известны?

— В 1994 году на конференции в Чарльстоне (США) я делал доклад о газоцентрифужной технологии в России. Тогда мне задали примерно тот же вопрос, только с обратной стороны: меня спросили, как же СССР решился на внедрение этой сложной технологии, ведь газодиффузионную воплотить в жизнь намного проще. Я тогда ответил: наверное, мы просто были не такими богатыми, как Соединенные Штаты.

— Неужели они просто испугались сложности разработки?

— Тогда же была гонка вооружений, скорость промышленного воплощения была важнее экономики. В Манхэттенском проекте американцы перепробовали все физические методы разделения изотопов и пришли к выводу, что проще всего осуществима в промышленном масштабе газодиффузионная технология. А потом, потратив колоссальные деньги на отработку этого способа и создав мощнейшие заводы в Падуке и Портсмуте, не решались отказаться от уже наработанных производств — стоимость переключения на альтернативный метод производства была очень высокой.

Ну и создать центрифужную технологию действительно было тяжело. В газовой диффузии главное — научиться делать пористые разделительные мембраны (ширина ячейки — с молекулу); если научился, то конструкция у них несложная, и штамповать их можно быстро. А компрессоры для нагнетания газа уже давно умели делать. Разве что нужно было побольше и понадежнее, но это уже детали. К тому же, ремонт компрессора куда проще и понятнее, чем остановка каскада центрифуг. А центрифуга — сложное устройство, она крутится со скоростью более 1 тыс. оборотов в секунду, по техническому заданию на первый завод срок эксплуатации машины составлял 10 лет, сейчас — 30 лет. При этом важна надежность; начиная с машин шестого поколения выход из строя с вероятностью менее 0,1% в год. Это очень непростая техническая задача.

Кстати, когда американцы в конце 1980-х годов впервые приехали на наш завод и вошли в цех, где стояли центрифуги, (цех-53 — почти километровый корпус, оснащенный в три-четыре яруса центрифужными каскадами), то стали спрашивать, а работает ли вообще это оборудование. Потому что у нас в корпусе тишина и прохлада, а сотрудники на велосипедах ездят.

— С газовой диффузией не так?

— Совершенно по-другому. Я застал диффузию на УЭХК еще до появления полноценного центрифужного производства — впервые попал сюда в 1959 году. Я тогда проходил практику от физтеха УПИ как раз на газодиффузионном производстве — это постоянный шум от огромных компрессоров, которые гонят газ, и температура в цехе 30 — 35° С. А на современных газодиффузионных производствах температура зашкаливает за 80° С, и персонал работает только в защитных костюмах.

А американцам мы тогда дали слухачи — медные трубочки, которые можно приложить к нижней опоре центрифуги и услышать, как тонкая опорная иголочка ротора ходит по лейкосапфиру-подпятнику. Вот и весь шум.

— А альтернативные методы обогащения?

— После первой неудачи с центрифугой американцы переключились на лазерный метод разделения в атомных парах урана. Он с точки зрения физики на один акт деления должен иметь еще меньше затрат, даже чем при разделении центрифугой. Но теория — одно, а промышленное производство — другое. Дело в том, что для этого акта деления нужно использовать разреженный атомный пар, чтобы u-235 и u-238 по-разному ионизировать лазерным лучом. То есть уран надо испарить, а потом металл перевести в оксид — а это снова большие энергетические затраты. Короче говоря, выяснилось, что для организации технологического процесса снова оказывается куда больше затрат, чем при использовании центрифуг.

Еще в 1991 году на конференции в Вашингтоне оптимистичные доклады представлялись и американцами, и японцами, и англичанами: мол, уже работают опытные установки и лазерный метод вот-вот победит все прежние технологические наработки. А американцы даже показывали почти промышленные модули. Но ресурс работы лазеров такой установки американцы смогли довести только до одного года, а наши центрифуги работают по тридцать лет. К настоящему времени, все эти промышленные лазерные проекты по разделению в атомных парах постепенно затихли по всему миру — пока нерентабельно.

Например, в 2008 году была создана компания Global Laser Eurichment (является совместным предприятием компаний General Electric, Hitachi и Cameco), которая начала работу по коммерциализации лазерной технологии Silex лицензированной и зарегистрированной в Австралии компании Silex Systems Limited. Это вариант метода молекулярного лазерного разделения изотопов. Компанией в сентябре 2012 года получена лицензия на строительство и эксплуатацию завода установленной мощностью 6 млн ЕРР в год в Уилмингтоне (США). Однако в июле 2014 года было объявлено о приостановлении этого проекта.   

Комментарии
 

comments powered by Disqus