Российские атомщики создали газовую центрифугу десятого поколения

Буквально недавно цех по обогащению урана Электрохимического завода перешел на центрифуги поколения 9+. И вот уже готова опытно-­промышленная партия агрегатов следующего поколения. После испытаний на одном из предприятий ТВЭЛ начнется их серийное производство.

«Газовая центрифуга — ​символ атомной промышленности, а каскады центрифуг — ​сердце топливного дивизиона «Росатома», — ​подчеркивает старший вице-президент ТВЭЛ по научно-технической деятельности Александр Угрюмов. — ​Разработка ГЦ‑10 — ​историческое достижение наших конструкторов, технологов и производственников, выполненное в год 80‑летия отечественной атомной отрасли. Мы продолжаем программу модернизации обогатительных мощностей с поэтапной заменой центрифуг старых поколений на современные и высокоэффективные ГЦ‑9+, которые будут работать десятки лет. ГЦ‑10 — ​это еще один шаг вперед, который в перспективе поможет сделать наши разделительные предприятия еще более современными и эффективными».

Родина промышленной газоцентрифужной технологии — ​СССР, ее отцом считается Виктор Сергеев, инженер-конструктор Особого конструкторского бюро Ленинградского Кировского завода (преемник — ​компания «Центротех-Инжиниринг»).

Газовая центрифуга вращается со скоростью свыше тысячи оборотов в секунду, возникающая в ней центробежная сила отделяет более легкий уран‑235 от тяжелого урана‑238. Внутренняя емкость этого сепаратора-волчка опирается на тончайшую иглу, верхнюю часть емкости удерживает магнитное поле.

Чтобы закачать уран в каскады газовых центрифуг, производят его конверсию — ​получают соединение урана и фтора. Гексафторид урана легко принимает газообразную форму при достаточно невысокой температуре, а легкие и тяжелые изотопы урана удобно разделить за счет того, что у фтора всего один изотоп. Использование множества газовых центрифуг, собранных в каскад, позволяет последовательно достигать более высокого обогащения урана‑235 при значительно меньших энергетических затратах по сравнению с газодиффузионной технологией. На сегодня это самый экономичный способ разделения изотопов для производства топлива энергетических, исследовательских и транспортных реакторов.

Каждое новое поколение российских газовых центрифуг показывает рекорды эффективности и производительности. Срок службы первых газовых центрифуг составлял два-три года. Благодаря постоянному совершенствованию конструкции и новым материалам современные центрифуги безостановочно крутятся с огромной скоростью 30–35 лет.

Первые шаги

Идею разделения изотопов в центрифуге высказали британцы Фрэнсис Астон и Фредерик Линдеманн в 1919 году. К началу 1930‑х были получены первые экспериментальные результаты разделения изотопов хлора центробежным методом.

В 1940 году советский геохимик Александр Виноградов описал гексафторид урана — ​единственное соединение урана, переходящее в газообразное состояние при 56,5 °C. Это стало важным шагом в создании разделительных агрегатов.

В 1948 году в специальном НИИ-5 в Сухуми немецкие ученые под руководством Макса Штеенбека продемонстрировали возможность обогащения урана в длиннороторной (2,5 м) центрифуге. Однако для массового производства центрифуга Штеенбека категорически не подходила — ​слишком сложна, слишком капризна. Например, собрать опытный образец агрегата, перевезенный из Сухуми в Ленинград, смог только один из его разработчиков — ​Гернот Циппе.

В Особом конструкторском бюро Ленинградского Кировского завода (ОКБ ЛКЗ) идею центрифуги Штеенбека творчески развили конструктор Виктор Сергеев и физик Евгений Каменев. Они отказались от длиннороторной центрифуги в пользу короткой вертикальной. Летом 1953 года прошли испытания лабораторного образца, а уже через год Совмин СССР выпустил постановление о начале освоения центрифужной технологии для промышленного разделения изотопов урана.

Первая опытная партия из 60 газовых центрифуг была изготовлена и испытана в ОКБ ЛКЗ и Лаборатории измерительных приборов Академии наук СССР в 1955‑м. Годом позже на Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК) был запущен опытный завод с 2432 центрифугами ВТ‑3.

В 1958 году научно-­технический совет Минсредмаша под председательством Игоря Курчатова принял историческое решение: рекомендовать газоцентрифужный метод разделения к широкому промышленному применению.

Смена поколений

9 ноября 1961 года на УЭХК заработал опытно-промышленный участок с 23 тыс. центрифуг первого и второго поколений. Главным отличием второго поколения были роторы и кожухи из легких и прочных алюминиевых сплавов. Год спустя на УЭХК пустили первую очередь первого в мире газотурбинного завода для разделения урана.

В 1964 году в промышленную эксплуатацию ввели газовые центрифуги четвертого поколения разработки Электрохимического завода (ЭХЗ). Улучшенная конструкция ротора и системы привода дала большую скорость вращения, что позволило достичь высокой степени обогащения урана при меньшем потреблении энергии.

В 1969 году началось серийное производство агрегатов пятого поколения разработки Центрального конструкторского бюро машиностроения (ЦКБМ) с радикально большим, до 30 лет, сроком эксплуатации. В декабре 1973 года промышленная технология обогащения урана вышла на новый уровень: был запущен газотурбинный завод на Сибирском химкомбинате с самыми современными на тот момент центрифугами.

Спустя 10 лет началось серийное производство машин ЦКБМ шестого поколения. При изготовлении ротора впервые применили композитные материалы. С тех пор от поколения к поколению конструкторы меняют состав и технологию производства композитов для повышения прочности и надежности ротора, экономичности центрифуги.

Седьмое поколение вышло в серию в 1996 году, в 2003‑м разделительные заводы отрасли стали получать центрифуги восьмого поколения, разработанные на УЭХК.

В 2012‑м технология пережила очередную революцию: началось серийное производство газовой центрифуги девятого поколения — ​первой надкритической (разработка «ОКБ — ​Нижний Новгород»). Если отношение длины ротора к диаметру больше пяти, то ГЦ надкритическая, если меньше — ​подкритическая. Надкритическая ГЦ длиннее и при разгоне до рабочей скорости преодолевает один или несколько изгибных резонансов, но ее производительность при равных с подкритической энергозатратах существенно выше. Первый блок ГЦ‑9 запустили на ЭХЗ в том же 2012 году.

Девятая с плюсом

В 2014 году была выпущена первая опытно-промышленная партия модернизированной ГЦ — ​поколения 9+, которая отличается высокой производительностью, сниженным энергопотреблением и увеличенным до 35 лет сроком службы. Серийное производство началось в 2017 году.

В июле этого года ЭХЗ завершил техническое переоснащение разделительного производства новой модификацией. Поэтапное внедрение центрифуг поколения 9+ продолжалось шесть лет. Большую часть очередей ввели в эксплуатацию с опережением срока благодаря цифровизации технологических процессов и инструментам Производственной системы «Росатом». Внедрение ГЦ‑9+ с поэтапной заменой центрифуг предыдущих поколений также проходит на УЭХК.