Вращение 
с превращением

Одно из самых востребованных изобретений отечественных атомщиков — газовая центрифуга для обогащения урана. Наша страна — родина промышленной газоцентрифужной технологии и безусловный мировой лидер на этом рынке. В 2025 году создана опытная партия центрифуг 10-го поколения, которые превосходят по характеристикам все предыдущие модели.

Как она работает

Представьте очень быстро вращающийся цилиндр. Внутри — газ. Под действием центробежной силы более тяжелые молекулы (или изотопы) отбрасываются к стенкам цилиндра, а более легкие концентрируются ближе к центру.

В нашем случае газ — это гексафторид урана (UF6). Задача — отделить редкий изотоп уран-235 от более тяжелого урана-238. Именно уран-235 способен поддерживать цепную реакцию. Поэтому его концентрацию нужно «обогатить» — увеличить с природных ~0,7% до нескольких процентов.

Внутри газовой центрифуги вращается цилиндрический ротор. Ротор окружает стальной корпус для поддержания вакуума внутри. Помимо этого, есть электродвигатель, верхние и нижние опоры и ряд других узлов. Обогащение происходит так: внутри ротора создается мощное гравитационное поле. Тяжелые молекулы гексафторида урана-238 сбиваются на периферии цилиндра, более легкие, гексафторида урана-235, — у оси ротора. Специальные трубки извлекают разные фракции газа. Процесс повторяется снова и снова — в каскаде из многих центрифуг. Именно каскад делает возможным промышленное обогащение.

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.

Как все начиналось

Идею разделения изотопов урана в центрифуге впервые высказали британские физики Фрэнсис Астон и Фредерик Линдеман в 1919 году. К началу 1930-х были получены первые экспериментальные результаты разделения изотопов хлора с помощью центробежного метода.

В 1940-м советский химик Александр Виноградов указал на гексафторид урана как на наиболее перспективное соединение урана для разделения изотопов — оно единственное переходит в газообразное состояние при сравнительно низкой температуре в 56,5 °C. Это стало важным шагом в создании газовых центрифуг. Но первые модели были ненадежными: подшипники разрушались, роторы вибрировали. Казалось, что метод бесперспективен, даже ведущие ученые предлагали сосредоточиться на других технологиях.

Перелом произошел после войны, когда СССР привлек немецких ученых. В 1948 году в специальном НИИ­-5 в Сухуми под руководством Макса Штеенбека они впервые продемонстрировали обогащение урана в длиннороторной (2,5 м) центрифуге. Ученые доказали, что она может давать реальное обогащение урана на уровне 3–6%. Однако для массового производства машина не подходила — слишком сложна, слишком капризна.

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

В 1955 году изготовили и испытали первую партию из 60 машин. Затем приняли решение о строительстве опытного центрифужного завода на Уральском электрохимическом комбинате в Новоуральске, где в 1956-м запустили центрифуги ВТ-3. Вскоре центрифуги вытеснили более энергоемкий газодиффузионный метод и обеспечили СССР, а затем и России лидерство на мировом рынке обогащения урана, которое сохраняется до сих пор.

Сколько крутится

Первые центрифуги работали всего два-три года. Но уже к пятому поколению центрифуг срок их эксплуатации достиг 30 лет.

«С тех пор ко всем новым поколениям центрифуг мы на этапе разработки предъявляем требование: ресурс не должен быть меньше 30 лет, — говорит Вячеслав Козин, научный руководитель ТВЭЛ по газоцентрифужным технологиям. — И это требование предъявляется не только к центрифуге, но и к основному вспомогательному оборудованию: преобразователям частоты, комплекту АСУ ТП, датчикам, газоанализаторам и проч. Дальнейшее продление срока службы обсуждалось. Но кроме физического износа оборудования существует еще и моральный износ. За время эксплуатации одной центрифуги мы иногда успеваем создать четыре следующих поколения. И новое оборудование настолько эффективнее, компактнее, производительнее, что выгоднее модернизировать производство, чем продлевать срок службы действующего оборудования. Сомневаюсь, что мы когда-нибудь будем разрабатывать центрифуги с ресурсом 50–60 лет».

Предмет для гордости

В настоящий момент самое совершенное устройство — газовая центрифуга 10-го поколения (ГЦ-10).

Центрифуги работают на четырех обогатительных предприятиях России: Уральском электрохимическом, Сибирском химическом, Ангарском электролизном химическом комбинатах и Электрохимическом заводе. На этих площадках сосредоточены крупнейшие в мире мощности по обогащению урана — около 40%.

Отрасль находится в стадии масштабной модернизации: на предприятиях поэтапно заменяют старые машины на новые центрифуги, которые обеспечивают более высокую производительность и энергоэффективность. Такие проекты уже реализованы в Новоуральске и Зеленогорске и продолжаются в Северске и Ангарске.