Рожденные на ГАЗе: о нижегородской родине установки для обогащения урана

Продолжаем отмечать 70‑летие газовой центрифуги. В прошлом материале мы вспомнили лучшие качества юбиляра. Сегодня расскажем о нижегородской родине установки для обогащения урана, ее 10 поколениях и неурановых близнецах. Слово главному эксперту «Центротех­-Инжиниринга» Павлу Мочалову, который с 2010 по 2017 год работал гендиректором и главным конструктором «ОКБ — ​Нижний Новгород».

Машина эталонной надежности

Нижний Новгород — ​один из восьми городов, имеющих прямое отношение к созданию и развитию газовых центрифуг (ГЦ). Нижегородское (горьковское) ОКБ было создано в структуре Минсредмаша, чтобы разработать новые поколения газовых центрифуг для атомной отрасли при производстве нестандартного оборудования Горьковского автомобильного завода (ПНО ГАЗ). Научным руководителем газоцентрифужной тематики в те времена был Исаак Кикоин из Курчатовского института. Создание КБ при ПНО ГАЗ — ​его инициатива.

Нижегородское конструкторское бюро было одним из трех КБ по газовым центрифугам наряду с питерским и уральским, а ПНО ГАЗ было в свое время головным заводом-изготовителем ГЦ в триаде Горький — ​Ковров — ​Владимир.

Основатель ОКБ-НН доктор технических наук Юрий Заозерский с самого начала и до 2009 года возглавлял организацию.

Из ОКБ-НН вышел первый вариант ГЦ шестого поколения. После доработки в питерском КБ эта центрифуга стала машиной эталонной надежности с годовыми отказами лишь в сотые доли процента, в том числе поэтому она экспортировалась в КНР. ОКБ-НН разработало и внедрило в серию ГЦ девятого поколения — ​первую в отрасли надкритическую ГЦ.

В результате работ по снижению себестоимости ГЦ девятого поколения путевку в жизнь получила машина 10‑го поколения — ​ГЦ‑9+, нынешняя серийная установка разделительно-сублиматного комплекса.

Что будем крутить?

Конечно же, на базе любой серийной урановой ГЦ создается неурановая. Глупо было бы ограничиваться лишь изотопами урана и ГФУ в качестве рабочего газа. Таблица Менделеева большая, и есть спрос на многие неурановые изотопы. Иногда неурановая ГЦ похожа конструкцией на своего «старшего брата». Иногда не очень. Все зависит от рабочего газа в неурановой ГЦ.

Например, часто требуется крутить легкий газ, который на порядок легче, чем гексафторид урана. Бывает наоборот — ​молекула рабочего газа очень тяжелая и нестабильная, разваливается при небольшом нагреве. Приходится принимать меры, чтобы такая молекула не перегрелась внутри ГЦ.

Бывает, что рабочий газ в неурановой ГЦ — ​очень агрессивное вещество. Например, какая-нибудь металлоорганика. Причем речь идет не о простой коррозии, а о коррозии под напряжением. Приходится принимать меры, чтобы материал ротора был стойким в таком газе.

Иногда требуется горячая ГЦ. Газоцентрифужная технология, урановая или неурановая, требует, чтобы рабочее вещество было летучим, с достаточной упругостью пара. В противном случае возникают сложности с каскадированием машин. Некоторые коммерчески привлекательные химические элементы не имеют летучих соединений при комнатной температуре, но могут «полететь» при повышенных температурах. Отсюда интерес к горячей ГЦ.

Часто употребляемая фраза «неурановая ГЦ для наработки стабильных изотопов» не всегда верна. У меня в памяти есть несколько случаев, когда конструкторы ГЦ выполняли заказ на разработку неурановой ГЦ для выделения радиоактивных изотопов. Такие ГЦ имеют довольно приличную биологическую защиту.

Что касается ГЦ девятого поколения, то так получилось, что надкритическая ГЦ К38 для неурановых изотопов стала эксплуатироваться намного раньше своего уранового собрата.

ОКБ-НН — ​автор ряда неурановых центрифуг, на базе которых одно время функционировало производство стабильных изотопов в РФЯЦ-ВНИИЭФ. В сложные 1990‑е годы в рамках работ по диверсификации в ОКБ-НН была создана промышленная конструкция медико-биологической ультрацентрифуги К32 — ​опытный образец левитирующей (безопорной) центрифуги для получения особо чистых газов для микроэлектронной промышленности, лабораторная настольная микроцентрифуга МЦ‑1 для анализа крови, бытовая центрифуга «Астра». Думаю, если можно было бы совершить скачок во времени, то наша настольная «кровяная» микроцентрифуга МЦ‑1 была бы вполне востребованным лабораторным инструментом для диагностики коронавирусной инфекции методом ПЦР.

Преодолеть резонансы

Принципиальное отличие девятого поколения ГЦ от предшествующих в том, что это первая отечественная серийная центрифуга надкритического типа. Надкритическая ГЦ при разгоне от нуля до рабочей скорости преодолевает один или несколько изгибных резонансов, а подкритическая нет. Если отношение длины ротора к диаметру больше пяти, то ГЦ надкритическая, а если меньше, то подкритическая.

Надкритическая ГЦ отличается от подкритической, как сверхзвуковой самолет от дозвукового, но при этом конструктору нужно добиться и продемонстрировать приемочной комиссии, что сверхзвуковой самолет так же надежен, как дозвуковой.

Десять поколений

Газовые центрифуги для обогащения урана начали разрабатывать в нашей стране 70 лет назад. За это время появилось 10 поколений ГЦ, то есть в среднем на разработку нового поколения требуется семь лет. Сокращается ли время разработки от поколения к поколению? Такая тенденция есть. Разработка ГЦ девятого поколения заняла 12 лет — ​с 2000 по 2012 год. Разработка ГЦ поколения 9+ длилась пять лет — ​с 2012‑го по 2017‑й.

Есть планы ускорить цикл разработки. Для этого предполагается внедрить новую методологию НИОКР с использованием цифровых двой­ников ГЦ.

Недостаток традиционного подхода к разработке новых поколений центрифуг — ​основная ставка делается на натурные испытания. Соответственно, необходимость в изменениях выявляется уже на этапах опытного производства и испытаний, а это наиболее дорогостоящие изменения. Поэтому вывод на рынок нового продукта при таком подходе происходит долго и дорого.

Разработка с использованием новой методологии цифровых двойников и виртуальных испытаний позволяет на ранней стадии расчетным образом исследовать все альтернативы разрабатываемого изделия с помощью высокоадекватных цифровых моделей и тем самым сэкономить время, деньги, пройти приемочные испытания с первого раза.

Левитирующее будущее

В интернете можно найти видеоинтервью с Гернотом Циппе, патриархом и прародителем европейской ГЦ. Он говорит, что будущие ГЦ видит левитирующими в опорах из высокотемпературных сверхпроводников, ВТСП-опорах. Я соглашусь с ним. Появление ВТСП второго поколения, энергоэффективных и очень надежных криокулеров, серия успешных демонстрационных проектов с накопителями кинетической энергии на ВТСП-опорах — ​все это хорошие предпосылки для создания ГЦ с ВТСП-опорами.