Обогащение урана нацентрифуге
- Газовая диффузия Применяет отличие в скоростях перемещения молекул газа, содержащего разные изотопы урана (гексафторид урана). Разная масса обусловливает разную скорость молекул, так что легкие проходят мембрану с узкими порами (по диаметру сравнимыми с размерами молекул) стремительнее тяжелых. Способ несложен в реализации и употреблялся на заре ядерной отрасли в СССР, в Соединенных Штатах используется сейчас.
- Степень обогащения каждой ступени мала, так что нужны тысячи ступеней. Это ведет к огромному высокой стоимости и потреблению энергии разделения.
Лазерное разделение Основано на том, что молекулы, которые содержат разные изотопы, имеют разные энергии возбуждения.
- Облучив смесь лазерным лучом строго определенной длины волны, возможно ионизовать лишь молекулы с нужным изотопом, по окончании чего поделить изотопы посредством магнитного поля. Лазерная сепарация имеет низкие стоимость и энергопотребление и высокую степень обогащения (употребляется чтобы получить малые количеств сверхчистых изотопов), но существуют неприятности с производительностью, с отбором и ресурсом лазеров обогащенного материала безостановочно процесса.
- на данный момент General Electric пробует коммерциализировать разработку SILEX, созданную экспертами из ЮАР и Австралии.
Анатомия волчка При центрифужном способе разделения за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Почвы в много тысяч раз.- За счет этого более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 «сбиваются» на периферии вращающегося цилиндра, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 концентрируются около оси ротора. Через раздельные выводные трубопроводы (типа трубок Пито, о которых сказал Сергеев 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 тысячи и сотни автомобилей, разрешает скоро увеличивать содержание легкого изотопа. Условно говоря, их возможно назвать сепараторами, на которых перевоплощённое в газ урановое сырье (гексафторид урана, UF6) с низким содержанием изотопа U-235 последовательно переводят из консистенции парного молока в сметану и сливки.
- При необходимости смогут и «масло» сбить — довести обогащение до 45−60%, дабы применять в качестве горючего в реакторах подлодок и на исследовательских установках. И вдобавок сравнительно не так давно 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 были признаны избыточными, и производство высокообогащенного урана для армейских целей было прекращено.
На заре создания ядерных оружий одной из главных главных неприятностей стало разделение изотопов урана. Данный тяжелый радиоактивный металл встречается в природе в виде смеси двух главных изотопов. Главную долю (чуть меньше 99,3%) образовывает уран-238.
Содержание более легкого изотопа — урана-235 — образовывает всего 0,7%, но именно он нужен для работы реакторов и ядерного оружия.
Поделить изотопы совсем не просто. Их химические особенности аналогичны (в итоге, это одинаковый химический элемент), а отличие в ядерной массе образовывает чуть более 1%, так что физические способы для разделения должны иметь весьма высокую избирательность. Данный вопрос в 1950-х стал одним из решающих моментов, каковые выяснили успех советской ядерной отрасли и заложили фундамент для современной конкурентоспособности русском ядерной индустрии в мире.
Через сито
Самым несложным способом разделения есть газовая диффузия — «продавливание» газообразного сырья (гексафторид урана) через мелкопористую мембрану, наряду с этим разные изотопы диффундируют через поры с разной скоростью. Как раз газовая диффузия стала первым способом, что употреблялся для получения промышленных количеств урана-235 на первых обогатительных комбинатах.
В Соединенных Штатах 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, позже его поменял Исаак Кикоин.
Сначала, как это часто не редкость, способ газовой диффузии казался дешевее в реализации. Но он потребовал огромных затрат электричества — Саяно-Шушенская ГЭС и первая очередь Белоярской ядерной, как сейчас узнается, строились в первую очередь для этих целей. Не считая неспециализированной дороговизны и низкого КПД, способ газовой диффузии был небезопасен для трудящихся — в основном из-за шума и высоких температур в цехах.
Плюс громадные количества химически активных смесей под давлением, а это загрязнение и потенциальные выбросы внешней среды.
В это же время альтернатива газодиффузионному способу была известна с конца XIX века — это центрифужный способ, сулящий очень большую экономию: в то время, когда во второй половине 50-ых годов двадцатого века завод в Верх-Нейвинске вышел на расчетный режим, оказалось, что энергопотребление на единицу разделения в 20 (!) раз меньше диффузионного способа, а себестоимость — в два раза меньше. Действительно, на пути создания центрифуг конструкторов поджидали бессчётные технологические сложности.
Германские корни
Истоки советской разработке центрифуг начинаются в нацистской Германии, где в рамках ядерного проекта велись опыты по разделению урана. Один из участников этого проекта, инженер-физик Геронт Циппе, был среди вторых германских военнопленных, посланных в СССР. Под началом Макса Штеенбека, тестя и своего соотечественника, Циппе до 1954 года занимался экспериментальными изучениями — сперва в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физтех университет), а последние два года — в особенном конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде.
Как свидетельствуют очевидцы и участники тех событий, германские ученые не знали отказа в материалах для изучений. И режим у них был практически такой же, как у отечественных тайных атомщиков, которых столь же хорошо опекало ведомство Берии. В июле 1952 года особым распоряжением правительства Штеенбека и его ассистентов перевели из Сухумского университета в Ленинград, в ОКБ Кировского завода.
К тому же усилили группу выпускниками политехнического университета с профильной кафедры ядерных изучений. Была поставлена задача изготовить и испытать два агрегата по схеме Циппе-Штеенбека. За дело взялись горячо, но уже в течение последних трех месяцев 1953-го работу прекратили, не доводя до опробований: стало ясно, что предложенная конструкция не годится для серийного производства.
Центрифуга Циппе была не первой советской машиной аналогичного назначения. Еще на протяжении войны в Уфе второй немец, Фриц Ланге, бежавший из Германии во второй половине 30-ых годов двадцатого века, изготовил громоздкий аппарат на подшипнике. Но эксперты, привычные с перипетиями ядерного проекта в США и СССР, отмечают одно абсолютное достижение группы Штеенбека — уникальную конструкцию опорного узла: ротор опирался на металлическую иглу, а эта игла — на подпятник из сверхтвердого сплава в масляной ванне.
И вся эта хитроумная конструкция удерживалась особой магнитной подвеской в верхней части ротора. Его раскрутка до рабочей скорости кроме этого производилась при помощи магнитного поля.
Коммунистический соперник
Тогда как проект группы Штеенбека потерпел фиаско, в феврале того же 1953 года была выведена на рабочие обороты газовая центрифуга с твёрдым ротором конструкции советского инженера Виктора Сергеева. За год до этого Сергеев с группой экспертов из особенного КБ Кировского завода, где он тогда трудился, был отправлен Сухуми для ознакомления с опытами Штеенбека и его команды. «Как раз тогда он задал Штеенбеку технический вопрос о размещении отборников газа в виде трубок Пито, — немного открыл ответственные подробности ветеран центрифужного производства ПО «Точмаш» Олег Чернов, прекрасно знавший Сергеева и трудившийся вместе с ним.
— Вопрос был сугубо техническим и содержал, по сути, подсказку, как сделать конструкцию центрифуги работоспособной». Но врач Штеенбек показал категоричность: «Они начнут тормозить поток, приводить к турбулентности, и никакого разделения не будет!» Спустя десятилетия, трудясь над мемуарами, он об этом пожалеет: «Мысль, хорошая того, дабы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила»
По словам Олега Чернова, Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально несложным принципом ее работы. Появлявшись на Западе, «умный Циппе», как его часто именовали, запатентовал конструкцию центрифуги в 13 государствах.
Первые лица в советском ядерном ведомстве, определив о таком интеллектуальном коварстве, шум поднимать не стали — в случае если направляться официальной версии, «дабы не вызывать повышенного интереса и подозрений к данной теме у военно-технической разведки США». Пускай, дескать, считаюм, что Рекомендации ограничиваются неэкономичным, как и у них, газодиффузионным способом Во второй половине 50-ых годов XX века, переехав в Соединенных Штатах, Циппе выстроил в том месте трудящуюся установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева.
И назвал ее, направляться дать должное, «Русской центрифугой». Но увлечь американцев он не сумел. В отношении новой автомобили, как в свое время и по конструкции Штеенбека, был вынесен вердикт: для промышленного применения негодна.
Действительно, четверть века спустя в Соединенных Штатах все-таки решили перейти с газовой диффузии на центрифуги. Первая попытка не удалась — в 1985 году, в то время, когда были установлены первые 1300 автомобилей, созданные в Оук-Риджской национальной лаборатории, руководство США закрыло программу.
Во второй половине 90-ых годов двадцатого века на расконсервированной площадке в Пайктоне (штат Огайо) снова начались работы по установке американских центрифуг нового поколения (в 10−15 раза больше российских по высоте и в несколько раз по диаметру) с ротором из углеродных волокон. По замыслу 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.
Тайные иголки
А тем временем в СССР, в малоприметном местечке Верх-Нейвинск на Среднем Урале, в обстановке строжайшей секретности монтировалась первая умелая линия разделительных газовых центрифуг. Исаак Кикоин еще в первой половине 40-ых годов XX века сталкивался с газовой центрифугой конструкции Ланге а также испытывал ее в собственной лаборатории в Свердловске. Тогда опыты желаемых результатов не дали, и академик скептически относился к самой возможности создания промышленных газовых центрифуг.
Основной бедой самых первых установок была их недолговечность. И не смотря на то, что вращались они сначала со скоростью «всего» 10000 оборотов в 60 секунд, совладать с огромной кинетической энергией ротора было далеко не просто.
— Машины-то ваши разрушаются! — язвительно упрекнул разработчиков на одном из заседаний в Минсредмаше глава главка Александр Зверев, имевший звание генерала НКВД.
— А вы что желали? Дабы они еще и размножались?! — дерзко парировал руководивший в то время проектом помощник главного конструктора Анатолий Сафронов.
По начальным расчетам, толщина наружных стенок корпуса центрифуги должна была быть 70 мм — как танковая броня. Попытайся такую махину раскрути Но способом ошибок и проб нашли-таки компромиссное ответ. Был создан особый сплав — прочнее и легче стали.
Корпуса современных центрифуг, каковые одному из авторов довелось заметить и подержать в руках на ПО «Точмаш» во Владимире, никаких ассоциаций с танковой броней не вызывают: простые с виду пустотелые цилиндры с отшлифованной до блеска внутренней поверхностью.
с далека их возможно принять за обрезки труб с соединительными фланцами на финишах. Протяженность — не больше метра, в диаметре — сантиметров двадцать. А на Уральском электрохимическом комбинате из них собраны огромные каскады длиною в много метров. Символы на стенах и особая разметка на окрашенном цементном полу в технологических проходах показывают, что тут принято перемещаться на велосипеде.
Действительно, не стремительнее 5−10 км/ч.
А в гудящих чуть 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 практически вдесятеро, а срок безостановочной работы увеличили с трех лет до 30.
Возможно, тяжело отыскать второй пример, в то время, когда бы техника демонстрировала такую надежность при столь экстремальных параметрах. Как поведал помощник главы центрифужного производства Валерий Лемперт, на комбинате в Новоуральске еще трудятся автомобили, каковые «Точмаш» поставил в том направлении 30 лет назад: «Это было, возможно, третье поколение центрифуг, а на данный момент серийно производится восьмое и запускается в умелое производство девятое».
«В конструкции отечественной центрифуги ничего очень сложного нет. Все дело в отработке разработки до небольших подробностей и строгом контроле качества, — растолковывает Татьяна Сорокина, которая десятки лет «вела» на заводе разработку изготовления опорной иглы для ротора. — Такие иглы делают из простой рояльной проволоки, из которой тянут струны. А вот метод закалки наконечника — это отечественное ноу-хау».
Собственный объяснение секретам русском центрифуги дал на склоне лет и один из основных ее создателей — Виктор Сергеев. По свидетельству инженера Олега Чернова, на вопрос разведслужб, а что же необходимо защищать в этом изделии и в чем его основной секрет, конструктор ответил кратко: «Люди».
Статья «И все-таки она крутится» размещена в издании «Популярная механика» (№124, февраль 2013).
<
h4>