Газовая центрифуга

В 1919 году Линдеман и Астон предложили использовать центрифугу для разделения изотопов.[2][3] Первое практическое разделение изотопов центрифугированием проведено в 1936 году.[4] Однако технологическая сложность оптимизации центрифужной технологии привели к предпочтению газодиффузионной технологии. В СССР в 1940 году сотрудниками УФТИ Ф. Ланге, В. А. Масловым и В. С. Шпинелем была подана заявка на «Способ приготовления урановой смеси, обогащенной ураном с массовым числом 235. Многокамерная центрифуга», на которую выдано авторское свидетельство № 6359с.[5][6] На основе этих идей в 1942—1943 годах в Уфе Ланге построил и испытал многокамерную экспериментальную центрифугу.[7][8][9][10]

В СССР в 1946—1952 гг. центрифугами занималась группа «трофейных» немецких ученых под руководством Др. Макса Штеенбека, перемещенных НКВД в 1945 году в НИИ-5 в Сухуми.[11]. Об условиях работы в те годы в Сухуми и достижениях по созданию к 1952 году работающего стенда газовой центрифуги, подробно описано в воспоминаниях Н. Ф. Лазарева, который в те годы, будучи техником в группе Штеенбека, тесно работал с доктором Гернотом Циппе[12] В январе 1951 года результаты работ по развитию газовой центрифуги были доложены на заседании Технического совета, а в сентябре 1952 года часть группы Штеенбека была переведена из Сухуми в Ленинград, на ОКБ Кировского завода. В 1953 группа была отстранена от дальнейшего участия в этих работах и в 1956 году ученые возвратились в Германию. Воспоминания об этих работах можно также найти у профессора П. Е. Суетина (впоследствии ректора Уральского университета (1976—1993)). В 1952 году он был аспирантом Е. М. Каменева.

К. Стеенбек — разрабатывал в какой-то мере противоположную идею. Он решил создать очень длинную центрифугу (около 300 см), поскольку её разделительная способность пропорциональна длине. Ротор центрифуги представлял собой полтора десятка отрезков тонкостенной трубы, соединенных гибкими сильфонами. Центрифуга поддерживалась в вертикальном положении магнитом в её верхней части, а низ ротора опирался на гибкую иглу, вращающуюся вместе с ротором в неподвижном подшипнике, погруженном в масло и связанным с демпфером, гасящим колебания ротора. В натуре я эту машину не видел, но в 1952 г. подробно познакомился с научным отчетом её автора, Стеенбека. Основным недостатком центрифуги являлся трудный запуск, так как при переходе через последовательную серию критических оборотов её нужно было поддерживать системой роликов, возвращающих ротор к оси вращения. Да и после достижения рабочих оборотов случайные возмущения легко выводили её из устойчивого вращения. Главной счастливой находкой Стеенбека стала гибкая игла.[13]

К 1952 году лаборатория И. К. Кикоина Института атомной энергии закончила научную разработку газодиффузионных методов изотопного разделения и занялась газовыми центрифугами.[13] Наиболее активным энтузиастом центрифуг был кандидат физ-мат. наук Евгений Михайлович Каменев, который и возглавил экспериментальные работы по технической реализации этой идеи. В том же году было переориентировано на создание центрифуг занимавшееся ранее газодиффузионными установками ОКБ при Кировском заводе (главный конструктор ОКБ Н. М. Синев). Огромная скорость вращения ротора, составляющая 90 тыс. оборотов в минуту, породила новую проблему — текучесть металла. Эту проблему решила группа специалистов под руководством Иосифа Фридляндера, создавшая новый алюминиевый сплав В96ц.[14][15][16]

В 1955—1957 годах на Кировском заводе изготовили первые партии опытных центрифуг. 4.11.1957 года на УЭХК был пущен первый опытный завод центрифужного разделения изотопов. В 2013 году на том же заводе заработала первая установка с российскими центрифугами 9-го поколения.[17]

В странах западной Европы устройство газовой центрифуги было запатентовано в 1957 году бывшими сотрудниками Макса Штеенбека инженерами Гернотом Циппе и Р. Шеффелем.[18][19] Права на конструкцию получила компания URENCO.

Устройство газовой центрифуги. Стрелочками показано движение газа в рамках термодиффузионного механизма разделения.

Важнейшим элементом газовой центрифуги является так называемый ротор — цилиндр (труба), вращающийся в специальном вакуумированном кожухе с огромной скоростью. При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты, на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте вращения ротора выше резонансной, называется надкритической, ниже — подкритической. Рабочим веществом является газообразное соединение природного урана гексафторид урана, получаемой из природной закиси-окиси урана(U₃O₈) или тетрафторида урана(UF₄). UF₆ подается в центрифугу через трубопровод питания и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 м/с и более) газ концентрируется у его стенки. У оси ротора образуется разреженная зона с более легкой фракцией. Эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция обеспечивается созданием осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги — нижней и верхней соответственно. Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника в выходной трубопровод. Тяжелая фракция — отвал (или хвост) отбирается.

Наиболее секретными элементами и определяющими для работы центрифуги устройствами были и остаются: нижняя опора ротора, магнитный подшипник, двигатель и др., что представляет собой определенное ноу-хау и запатентовано в различных патентах. Первый такой патент принадлежит сотрудникам группы Др. Макса Штеенбека, которые впервые предложили самостабилизирущую подвижную нижнюю опору, магнитный привод и молекулярный вакуумный насос.[18][20] Параметрами, влияющими на разделительную способность центрифуги являются её геометрические размеры (длина ротора: около 1 метра у российских подкритических газовых центрифуг, до 7-12 метров у URENCO и США[21]; диаметр), скорость вращения ротора, а также наличие циркуляции газа в осевом направлении. Развитие оптимальных размеров ротора и других элементов отдельной газовой центрифуги остается актуальной научной и технической проблемой для увеличения к.п.д. и уменьшения стоимости газоцентрифужной технологии с использованием каскадов газовых центрифуг.

Первые попытки построить математическую модель газовой центрифуги были предприняты в Великобритании в начале 1940-х годов. Фрэнс Саймон, Рудольф Пайерлс, Карл Фукс и Николас Курти разработали общую теорию разделения изотопов, а Поль Дирак на основе этой теории вывел выражение для разделительной характеристики

• ${\displaystyle \delta U_{max}=\rho D_{AS}{\frac {\pi Z}{2}}\left({\frac {\Delta M}{2RT}}\right)^{2}V_{a}^{4},}$

где ${\displaystyle \rho D_{AS}}$ — плотность, умноженная на коэффициент самодиффузии (это произведение остается постоянной величиной для данного газа), ${\displaystyle Z}$ — длина ротора, ${\displaystyle \Delta M}$ — разность масс двух изотопов, подлежащих разделению, ${\displaystyle R}$ — газовая постоянная, ${\displaystyle T}$ — температура, а ${\displaystyle V_{a}}$ — тангенциальная скорость внутренней поверхности ротора.

Соотношение Дирака правильно ориентирует разработчика на увеличение периферической скорости, снижение температуры и удлинение ротора, однако оно не учитывает некоторые процессы, происходящие с газом внутри ротора, в результате чего даёт завышенные результаты. Например, реально разделительная характеристика пропорциональна квадрату тангенциальной скорости.

В настоящее время для оценки разделительной характеристики используется следующая полуэмпирическая формула, предполагающая Т = 310 К и типовые характеристики циркуляции газа в центрифуге:

• ${\displaystyle \delta U={\frac {V_{a}^{2}Z}{33000}}e_{E},}$

где ${\displaystyle e_{E}}$ — безразмерная экспериментальная эффективность, δU выражено в кг⋅ЕРР/год, остальные величины — в СИ. Экспериментальная эффективность для ранних центрифуг лежит в пределах 0,35-0,45; для центрифуг, находящихся в промышленной эксплуатации — 0,50-0,60; для наиболее продвинутых конструкций центрифуг 0,8-1,14.

В настоящее время^{[когда?]} в мире имеется три основных фирмы, занимающиеся обогащением урана.

• ТВЭЛ — российская компания (подразделение ГК «Росатом», сбыт на мировом рынке осуществляется через Техснабэкспорт (TENEX)). Использует советско-российские газоцентрифужные технологии.
• URENCO — совместная (англо-голландская-немецкая) со штаб квартирой в Великобритании. Использует газоцентрифужную технологию, основанную на патенте Циппе.
• Areva — французская Areva купила 50 % URENCO, инвестировала более трёх миллиардов евро в последние годы в новый завод Georges Besse II. Новый завод работает с апреля 2011, мощность более 1,5 млн ЕРР в год, в 2016 году он начал работать с полной производственной мощностью 7,5 млн ЕРР в год.
• USEC — американская обогатительная компания. Проводила разработки центрифужных технологий и в середине 80-х годов неудачно строила демонстрационное предприятие на 1500 центрифуг, практически сразу же закрытое[22]. В 2013 году запустила новый демонстрационный центрифужный каскад, получила лицензии, однако приступить к постройке полноценного производства не смогла.

В настоящее время^{[когда?]} производятся или разрабатываются несколько типов центрифуг:

• ВПО «Точмаш», с 2007 года Ковровский механический завод производит малопроизводительные надежные центрифуги (длина ротора 90 см, производительность 4-8 ЕРР в год), гарантия до 15-30 лет.
• URENCO делает центрифуги с длиной ротора 365 см и производительностью 40-80 ЕРР в год.
• USEC пытаются наладить производство центрифуг с длиной ротора 1310 см и производительностью 340 ЕРР в год[23]. К началу 2014 года смонтирован и испытан один обогатительный каскад из 120 центрифуг. США испытывают сильные трудности с освоением технологии газовой центрифуги. В феврале 2017 года объявлено, что газоцентрифужный завод в Пайктоне, штат Огайо (США) прекращает работу. Раньше прекратили производство заводы в Падьюке, штат Кентукки (2013) и в Портсмуте, штат Огайо (2001)

Обогащение урана в России осуществляется на четырёх крупных обогатительных комплексах: [24]

• Уральский электрохимический комбинат (УЭХК) в Новоуральске;
• Электрохимический завод (ЭХЗ) в Зеленогорске;
• Сибирский химический комбинат (СХК) в Северске;
• Ангарский электролизный химический комбинат (АЭХК) в Ангарске.

Производственные мощности российского обогатительного комплекса (2007 г.)[24]

Все четыре завода используют высокоэффективные центрифуги, обеспечивающие себестоимость услуг по обогащению около 20 долл. за ЕРР по сравнению с 70 долл. за ЕРР в США[24].

Долгое время основной советского и российского обогатительного комплекса была короткая подкритическая центрифуга, простая и надёжная, хорошо приспособленная для массового производства, однако обладающая меньшей производительностью, чем надкритическая центрифуга[24].

До конца 1950-х годов для обогащение урана применялись диффузионные технологии. Переход к промышленному использованию центрифуг начался в октябре 1955 г., когда было принято решение о строительстве в Новоуральске опытного завода с 2435 центрифугами. В дальнейшем в Новоуральске была введена в строй промышленная установка, оборудованная центрифугами первого поколения. 22 августа 1960 г. было решено построить в Новоуральске большое производство с центрифугами 2 и 3 поколения, которое было введено в строй в 1962—1964 гг[24].

В 1960-х — 1970-х гг. проводились исследования и разработки центрифуг второго, третьего и четвертого поколений, и стендовые испытания центрифуг пятого поколения. Работа включала оптимизацию геометрии центрифуги и увеличение скорости вращения. В 1970-х гг. началась модернизация всех четырёх обогатительных предприятий, в результате которых центрифужная технология стала основной в советском обогатительном комплексе. В 1971—1975 гг. появились центрифуги пятого поколения, а около 1984 г. — шестого[24].

Полный отказ от газодиффузионной технологии произошёл в СССР в конце 1980-х — начале 1990-х гг. К этому времени потребление электроэнергии на 1 ЕРР сократилось на порядок, а производственные мощности возросли в 2-3 раза и достигли 20 млн ЕРР[24].

В конце 1990-х гг основной парк центрифуг составляли машины 5 и 6 поколений примерно в равном количестве. Машины пятого поколения подходили к предельному сроку службы (25 лет), поэтому в 1997—1998 г. Минатом начал модернизацию УЭХК и ЭХЗ, во время которой машины пятого поколения заменялись на машины седьмого поколения, при этом производственные мощности обогатительного комплекса увеличивались на 25 %[24].

В 1998 г. в России начались работы по центрифугам восьмого поколения, производительность которых превышала производительность машин пятого поколения на треть. Центрифуги восьмого поколения стали последней подкритической моделью центрифуги, так как потенциал модернизации конструкции и материалов был исчерпан[24].

Поколения советских и российских центрифуг[26]

В 2000 г. на центрифугах поколений 5, 6 и 7 производилось соответственно 48, 49, и 3 % общего производства. [25]

Интенсивность отказов российских центрифуг составляет в настоящее время около 0,1 % в год. Производительность центрифуг поколения 9 в 14 раз выше, чем у поколения 1, а себестоимость ЕЕР в 10 раз меньше[29].

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.

Диффузионная технология является более дорогой, и её использование сокращается. По оценкам WNA, в мире используются все больше газовых центрифуг: [36]

На производство 1 ЕРР на американских газодиффузионных установках расходовалось 2730 кВт·ч электроэнергии, на российских центрифугах — порядка 50 кВт·ч. Затраты на обогащение в значительной степени связаны с используемой электрической энергией. Процесс газовой диффузии потребляет около 2500 кВтч (9000 МДж) на ЕРР, в то время как современные газоцентрифужные установки требуют около 50 кВтч (180 МДж) на ЕРР[37].

• G. ZIPPE: The development of short bowl Ultra-centrifuges. University of Virginia, Report No. EP-4420-101-60 U (1960).
• G. ZIPPE, R. SCHEFFEL, M. STEENBECK, DT 1071593 (1957)
• Heinz Barwich and Elfi Barwich Das rote Atom; Als deutscher Wissenschaftler im Geheimkreis der russischen Kernphysik (Scherz, 1967) (Europ. Buch- u. Phonoklub, 1969) (Fischer-Bücherei, 1970) (Fischer-TB.-Vlg.,Ffm, 1984)- Воспоминания Хайнца Барвиха, «Красный атом», 1967
• Max Steenbeck: Impulse und Wirkungen. Schritte auf meinem Lebensweg. Berlin 1977. — Воспоминания Макса Штеенбека, «Импульсы и Действия»,1977
• Хлопков А. Ангарский проект: обогащение vs. распространение. Индекс безопасности, № 2 (85), Том 14, с. 43-62.

• РАБОТНИКУ ЗАО «ОКБ-НИЖНИЙ НОВГОРОД» ВРУЧЕНА ГОСУДАРСТВЕННАЯ НАГРАДА (неопр.). ЧМЗ РОСАТОМ (27 января 2014). Дата обращения: 10 ноября 2020.