«Черный ящик, в котором течет газ, а как течет — ​никто не знает»: к юбилею газовой центрифуги

Продолжаем цикл ко дню рождения газовой центрифуги. Хотя этой технологии обогащения урана уже более 70 лет, по центрифуге для ученых еще много интересных задач, утверждает Иван Тронин, доцент Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ «МИФИ», и. о. завкафедрой молекулярной физики.

Три направления

Кафедра молекулярной физики МИФИ была основана в 1950-е годы по инициативе Игоря Курчатова и Исаака Кикоина. Кикоин был научным руководителем работ по разделению изотопов урана в атомном проекте. А первым заведующим кафедрой стал Михаил Миллионщиков — ​один из разработчиков конструкции газовой центрифуги. Кафедра в первую очередь была нацелена на изучение изотопов и технологий их применения. Так что специалисты МИФИ с самого начала были вовлечены в эту тематику.

С тех пор много воды утекло. Кафедра трансформировалась. Сейчас у нас три основных направления. По-прежнему занимаемся разделением изотопов, и здесь мы в числе мировых лидеров. Прорыв в сфере ИТ дал дополнительные возможности разработчикам новых поколений газовых центрифуг. Часть дорогих экспериментов заменило компьютерное моделирование. МИФИ с нуля создал методики и программное обеспечение для расчета газодинамических процессов внутри газовой центрифуги. Конструкторы предлагают варианты усовершенствования, а мы, ученые, рассчитываем, как они повлияют на эффективность оборудования. Тем самым определяем направление совершенствования техники и технологии. Задаем вектор.

Помимо разделения изотопов кафедра занимается масс-спектрометрией. Не без гордости скажу, что и в этом направлении мы создали сильную научную школу. Третье направление — ​нанодисперсные системы. Наши ученые участвуют в разработке умных композитных материалов.

Изотопный ликбез

Что такое изотопы? Есть у вас, допустим, два атома. Один — ​изотоп другого. Химически они одинаковы, а массы у них разные. Потому что в ядрах количество нейтронов разное. За счет этого дочерний изотоп может сильно отличаться от родительского по свойствам.

Возьмем изотопы бор‑10 и бор‑11. 10‑го изотопа в природе в четыре раза меньше, чем 11‑го. Но только 10‑й изотоп хорошо поглощает нейтроны, поэтому он широко используется в атомной энергетике для регулирования интенсивности цепной реакции. Перейдем теперь к урану. В урановой руде содержится лишь 0,7 % 235‑го изотопа, нужного для работы реакторов на тепловых нейтронах. Следовательно, природный уран надо разделить, иначе говоря, обогатить до нужной концентрации 235‑го изотопа.

Методов разделения великое множество: лазерный, центрифужный, масс-спектрометрический, циклотронный, испарительный и др. Одни хороши для одних изотопов, другие — ​для других. Уран — ​очень тяжелый элемент. Для таких лучше всего подходят центрифужные методы. Можно использовать и другие, но это будет либо слишком энергозатратно, либо малоэффективно и, как следствие, ​дорого.

Вне конкуренции

Сегодня альтернативы газоцентрифужному методу разделения изотопов урана нет. В будущем конкуренцию ему может составить лазерный. Его развивают уже много лет, но еще никто не придумал, как сделать лазерное разделение экономически выгодным. Пока оно в десятки раз дороже центрифужного. Наука на месте не стоит, я не исключаю, что ученые построят специфический лазер, который сможет долго работать на определенной длине волны, возбуждая атомы только урана‑235. Следующий вопрос — ​как эти атомы отделить от остальных. На него пока нет ответа.

Есть спектрометрический метод, с помощью которого первые граммы обогащенного урана были получены и в СССР, и в США. Но он еще дороже, чем лазерный, и как его удешевить, тоже пока не придумали.

Кадры для новых задач

Студенты кафедры молекулярной физики МИФИ изучают, помимо прочего, газоцентрифужную тематику. Мы выпускаем специалистов, которые в состоянии разрабатывать новые поколения газовых центрифуг. Новоуральский филиал МИФИ готовит инженерно-технический персонал для разделительных производств.

Студенты в МИФИ с газоцентрифужной технологией знакомятся на третьем курсе. На четвертом в каждом семестре есть пара курсов по разделению изотопов. Но уже с первого курса мы рассказываем об уникальных возможностях газовой центрифуги. Когда говоришь вчерашнему школьнику о небольшом устройстве, у которого скорость вращения в 10 раз выше, чем у коленвала болида «Формулы‑1», это производит сильное впечатление. Студенты начинают понимать, что это невероятно сложное, высокотехнологичное устройство, что газоцентрифужная технология — ​простор для научного поиска.

Центрифуга — ​это черный ящик, в котором течет газ, а как течет — ​никто не видел и не знает. Только современные компьютерные технологии позволяют нам понять, что происходит внутри этого аппарата. Рассказываешь студентам о моделировании газодинамических процессов, объясняешь, что в этой области много интересных задач (и методических, и инженерно-­технических), — ​и у многих загораются глаза. К сожалению, студенты из Москвы неохотно идут в конструкторские бюро по газовым центрифугам Санкт-­Петербурга и Новоуральска. Но это уже задача работодателя — ​мотивировать молодых специалистов.

Регулярно на нашей кафедре готовят дипломные работы по центрифужной технологии. Дипломы наших выпускников всегда содержат научную новизну, являются шагом вперед в мировой науке. Есть и диссертации по этой тематике. Надеюсь, через пару лет мой аспирант будет защищать по центрифугам кандидатскую, сам я готовлюсь к защите докторской.

Новых идей много, только рук на разработку всех идей не хватает. Поэтому я призываю молодежь: приходите в науку, приходите заниматься газовыми центрифугами. В этой области есть над чем подумать. Если действующие специалисты хотят повысить квалификацию, узнав подробнее о центрифужной технологии разделения изотопов, — ​милости просим, у нас есть магистратура на кафедре. Учиться в МИФИ, правда, тяжело, но тут уж ничего не поделаешь. Мы стараемся учить хорошо.