«Черный ящик, в котором течет газ, а как течет — никто не знает»: к юбилею газовой центрифуги
![](https://strana-rosatom.ru/wp-content/uploads/2022/11/model-gc-nahodyashheesya-u-nas-v-tvele-1000x600.jpg)
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
![](https://strana-rosatom.ru/wp-content/uploads/2022/11/ivantronin.png)
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.