Мощный эффект от центробежной силы: как в СССР создавались центрифуги для обогащения урана

Пионерами в освоении центрифужного разделения изотопов урана были советские ученые. Опытный каскад центрифуг запустили в 1957 году. Технология оказалась настолько эффективной, что к началу 1990-х полностью вытеснила газовую диффузию.

РУССКАЯ С НЕМЕЦКИМИ КОРНЯМИ

История советской центрифужной технологии берет начало в Германии. Участники работ по разделению урана после войны отправились в СССР, среди них был австрийский инженер-физик Гернот Циппе. Ему и его руководителю Максу Штеенбеку в 1947 году удалось раскрутить длинную центрифугу с гибким ротором. В июле 1952 года Штеенбека перевели в Ленинград, в ОКБ Кировского завода. Да еще усилили группу выпускниками Политехнического института. Была поставлена задача изготовить и испытать два агрегата по схеме Циппе — Штеенбека. За дело взялись горячо, однако в начале 1953 года стало ясно, что предложенная конструкция не годится для серийного производства. Тем временем другая группа специалистов предложила свою конструкцию — с коротким жестким ротором. Идея оказалась удачной. Гернот Циппе после возвращения в Вену запатентовал разработанную в ОКБ центрифугу. Этот патент лег в основу технологии Urenco: их машины так и называют — центрифуги Циппе.

Вообще, советские физики рассматривали два способа. Первый — газовая диффузия, «продавливание» гексафторида урана сквозь мелкопористую мембрану. Этот метод использует различие в скорости движения изотопов: если заставить их двигаться через мембрану, более легкий уран-235 обгоняет 238-й. Трубка, в которую помещена мембрана, настолько тонка, что изотопы двигаются по ней поодиночке. Самое сложное — сделать такие мембраны. Их производство наладили в 1946 году, и газовая диффузия стала первым методом получения урана-235 на обогатительных комбинатах.

Главным недостатком газодиффузионной технологии была энергозатратность. Например, Братскую ГЭС построили, прежде всего, для обеспечения газодиффузионного завода в Ангарске. Первый завод будущего УЭХК выдавал всего 100 г материала в сутки, такими темпами на одну бомбу нужно было работать год. Кроме дороговизны и низкого КПД у производства имелись и другие недостатки, влияющие на условия труда: высокая температура и шум в цехах. Геннадий Соловьев, советник гендиректора УЭХК, в 1959 году проходил на газодиффузионном производстве практику от физтеха УПИ. «В цеху постоянно стоял шум от огромных компрессоров, которые гнали газ через мембраны, жара — 30–35 °С. Впрочем, на современных газодиффузионных производствах температура вообще зашкаливает за 80 °С, и персонал работает только в защитных костюмах».

По словам Геннадия Соловьева, газовую диффузию не сравнить с центрифугой: «Цех 53 на Уральском электрохимическом комбинате — это почти километровый корпус, около 800 тыс. машин. В корпусе тишина и прохлада. Работают центрифуги едва слышно: звук — как комариный писк. Посетителям выдают «слухачи» — медные трубочки. Если трубочку приложить к нижней опоре центрифуги, можно услышать, как тонкая опорная иголочка ротора ходит по лейкосапфиру-подпятнику».

Во вращающейся центрифуге создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни раз. Более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 сбиваются на периферии цилиндра, более легкие, гексафторида урана-235,— у оси ротора. Метод экономичный: удельное энергопотребление на единицу работы разделения уменьшилось по сравнению с диффузионным методом в 25 раз, а себестоимость ЕРР — вдвое.

Виртуозное фуэте

Корпусы центрифуг на вид просто пустотелые метровые цилиндры с отшлифованной до блеска внутренней поверхностью. Их можно принять за обрезки труб. На обогатительных заводах ТВЭЛ из них собраны каскады длиной сотни метров. В цехах принято перемещаться на велосипеде, но есть скоростные ограничения. А внутри центрифуг бешеная скорость только приветствуется: ротор на игле с корундовым подпятником, подвешенный в магнитном поле, исполняет фуэте — более 1,5 тыс. оборотов в секунду. Разработчики первых ГЦ опасались, что из-за малейшего сейсмического воздействия ротор может задеть стенку, центрифуга слетит и разнесет все вокруг.

В конструкции отечественной центрифуги ничего сверхсложного нет. Иглы делают из обычной проволоки, из которой тянут струны для роялей. А вот способ закалки наконечника — это ноу-хау

Ученые из Института физики Земли АН СССР обследовали на предмет сейсмической опасности все участки, выбиравшиеся под строительство центрифужных заводов. Вот такое заключение выдали участку под завод №825 (сейчас — ЭХЗ): «Район входит в зону шестибалльных землетрясений продолжительностью 60–90 секунд, вероятность землетрясения — раз в 100 лет». Кстати, за время существования предприятия было зарегистрировано единственное землетрясение — силой от трех до четырех баллов. Произошло оно 27 октября 2000 года, пострадали 0,0028% ГЦ пятого поколения, в основном в верхних ярусах. На работе предприятия это не отразилось.

Непосредственно перед эксплуатацией центрифуги проходят стресс-тесты. Ветеран ЭХЗ Валентин Гунбин, который работал заместителем главного механика, а потом руководителем конструкторского бюро, вспоминал: «В корпусе №1 потребовалось устройство для испытания колонн с агрегатами газовых центрифуг на сейсмическую устойчивость. Мы предложили узел мгновенного сброса нагрузок на колонны. Срочно разработали конструкторскую документацию, изготовили в металле и провели испытания. Задача была решена. При проведении комиссионных испытаний узел мгновенного сброса нагрузок на колонны высоко оценил академик Кикоин».

О запуске на орбиту первого советского искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года узнал весь мир. А событие, произошедшее в ноябре того же года на УЭХК, долго оставалось тайной. Там был пущен опытный завод, на котором обогащать уран стали методом центрифужного разделения изотопов

Разработкой первых машин занималось ОКБ ленинградского Кировского завода, позже подключились еще два конструкторских бюро — ННКЦ на УЭХК и ОКБ на Горьковском автозаводе. Все новые центрифуги проходили (и проходят до сих пор) промышленные испытания на УЭХК. Ветеран комбината Давид Левин после окончания физфака МГУ в 1950 году был направлен на комбинат. 30 лет он проработал заместителем начальника опытного цеха 20. «Мы занимались научными исследованиями, искали пути решения проблемы саморазрушения машин. Работали в тесном сотрудничестве с учеными. Задачи были так сложны, что приходилось засиживаться на работе до позднего вечера. Я сына только спящим видел. Утешает одно: мы передали своим детям главную ценность жизни — ради важного государственного дела стоит так работать». Проблема надежности и устойчивости газовых центрифуг была решена, в 1967 году Давид Левин получил Госпремию СССР. 40 лет он был членом приемной комиссии Минсредмаша и выписал путевки в промышленную эксплуатацию нескольким поколениям газовых центрифуг.

Выше критики

Разработчики давно поняли, что наращивать скорость вращения ГЦ выгодно: отдача больше. Это определило эволюцию центрифуги. Сначала было совершенствование материалов для придания прочности — чтобы ротор не разрушался при бешеном вращении. Первые роторы делали из алюминиевого сплава, потом стали усиливать их металлической проволокой. Через три поколения оболочку ротора сделали из стеклопластика. Машины четвертого, пятого и шестого поколений, по существу, различались прочностью и долей стеклопластика в конструкции. В начале 1990-х стало ясно, что предел прочности стекла достигнут, больше сделать невозможно. Предлагали изготавливать стекло из бериллия, но идею не поддержали — дорого.

Другой способ нарастить скорость — удлинить ротор. До девятого поколения отечественные центрифуги были короткими, подкритическими,— частота вращения ротора ниже резонансной. Для создания надкритической центрифуги необходима оболочка, которая не позволяет длинному ротору гнуться. Дело в том, что, если отношение длины ротора к диаметру больше определенного числа, для выхода на рабочую скорость центрифуге нужно пройти резонансную частоту, на которой возникает большая вероятность, что ротор заденет стенку наружного корпуса. Девятое поколение — первая отечественная надкритическая центрифуга, в ней колебания ротора демпфируются. Работа над моделью началась еще в 2003 году, через год приступили к НИОКР. Уже в 2012 году «девятка» получила рекомендацию к серийному производству. Советник гендиректора ЭХЗ по науке и развитию технологий Геннадий Скорынин рассказывает, что на испытаниях новые центрифуги продемонстрировали хорошие результаты. Сотрудники преодолели все технологические и конструкторские сложности: текучесть металла на сверхвысоких скоростях ротора, разрушительные особенности резонанса.

Сейчас на УЭХК, АЭХК, ЭХЗ и СХК эксплуатируют шестое, седьмое, восьмое и девятое поколения. Недавно запустили в серию модернизированную «девятку», уже приступили к разработке 11-го поколения. В сравнении с первой центрифугой ВТ-3Ф 1960 года выпуска ротор ГЦ последних поколений разогнали почти в 10 раз больше, а срок безостановочной работы увеличили с трех до 30 лет (есть и рекорд — 32 года непрерывного вращения). Модернизация линий не прекращается: колонны, на которые навешивают оборудование, и коммуникации — сохраняется только это. «Ежегодно мы вводим более высокоэффективное оборудование и получаем значительный прирост разделительной мощности,— говорит Геннадий Соловьев.— Если задержим процесс, на старом оборудовании получим дорогую ЕРР и дорогой продукт».

Шпионские страсти

Что только не придумывали иностранные партнеры, чтобы разузнать чуть больше, чем им полагается! Вот несколько историй.

Геннадий Скорынин
Советник по науке, ЭХЗ

— По условиям соглашения ВОУ-НОУ наши предприятия посещали наблюдатели из США. Приезжали шесть раз в год по шесть-семь человек. Первый визит на ЭХЗ был в 1996 году. Я встречал их в аэропорту Емельяново. Прилетели ночным рейсом из Москвы. До Зеленогорска на автобусе часа три. Думал, будут спать. Но наблюдатели наблюдали. Провели хронометраж пути. Отмечали каждый дорожный знак, населенный пункт. Видимо, для корректировки карт, которые они привезли с собой. У нас такие крупномасштабные карты тогда были загрифованы. А у них даже план завода с корпусами был. Уже после визита иностранцев на ЭХЗ были разработаны документы, которые регламентировали полномочия наблюдателей: где они могут находиться, что делать, какое использовать оборудование.

Олег Кондратьев
Заместитель гендиректора по безопасности, УЭХК

— Наши первые иностранные гости пытались галстуками замерить оборудование. Или, скажем, намеренно направляли специалистов с 48–50-м размером обуви, чтобы они на своих ботинках собрали побольше песчинок для анализа.