Интервью 11 июня 2011

Геннадий Соловьев: "Наша центрифуга нужна американцам"

Советник генерального директора Уральского электрохимического комбината Геннадий Соловьёв знает про обогащение урана всё, или практически всё.
В эксклюзивном интервью нашей газете он рассказал о том, как появилась российская газовая центрифуга, раскрыл подробности технологических процессов при обогащении урана и раскритиковал лазерный метод разделения изотопов.

– На российских обогатительных комбинатах начинается внедрение газовых центрифуг девятого поколения и уже разрабатывается следующее, десятое…

–  Да, сейчас проходят последние испытания новых машин. Только то, что вы назвали десятым поколением, в ТВЭЛе принято называть поколением 9+.

– Сколько времени уходит на разработку и внедрение одного поколения центрифуг?

–  Постановление правительства СССР о начале разработки газовых центрифуг для промышленного использования датировано 8 июля 1952 года. И по настоящее время в серийное производство сдано восемь поколений. То есть на одно получается примерно по восемь лет.

– А сильно современные машины отличаются от центрифуг первых поколений?

–  Габариты машин первого и девятого поколений остались почти теми же. Предприятия-изготовители поставляют комбинатам центрифуги в агрегатах – 20 машин в два ряда, а в цехах они располагаются на колонны ярусами, друг над другом. Так вот, колонны эти не меняются, на них помещается одно и то же количество агрегатов. Зато производительность одной машины за всё время увеличилась где-то в 14 раз, а себестоимость единицы работы разделения сократилась примерно в 10 раз. В первую очередь за счёт использования новых материалов, которые способны выдержать большую нагрузку.

Перед российскими разработчиками центрифуг с самого начала стояла задача по повышению разделительной способности машин за счёт наращивания скорости. А для такой скорости нужны соответствующие материалы. Первые машины были металлическими, из сплава алюминия 1960. В машинах девятого поколения ротор – это уже сложный композиционный материал, состоящий из того же сплава 1960, нескольких дополнительных компонентов и защитной оболочки. Такая конструкция позволила раза в два увеличить линейные скорости.

Изменился и срок службы центрифуг. На первые установки производители давали гарантию три года, а при строительстве заводов проектировщики закладывали период эксплуатации 10 лет. Но по мере отработки режима, изучения свойств центрифуг, по мере совершенствования отдельных узлов их жизненный цикл был доведён до 30 лет. То есть 30 лет машина беспрерывно крутится со скоростью больше тысячи оборотов в секунду на иголочке.

– Какое у центрифуг число отказов?

– Сейчас мы вышли на интенсивность не выше 0,1 % за год. То есть, грубо говоря, из 100 тыс. машин отказать может не больше 100 центрифуг.

– Правда, что все центрифуги вышли из разработки немецких учёных?

– Это давняя «интернациональная» история. В Советском Союзе где-то в 1936 году центрифугами занимался профессор Ланге – австрийский немец, бежавший из Германии от Гитлера и работавший в Харьковском институте. Потом, когда закончилась война и США испытали ядерное оружие, нашим учёным была поставлена задача создать атомную бомбу. Они, как и участники Манхэттенского проекта, рассматривали различные принципы обогащения урана и соответствующие устройства, вплоть до самого очевидного – калютрона. Это такой спектрометр. Поскольку массы у изотопов урана разные, в магнитном электрическом поле они по разным орбитам расходятся. Но там производительность очень низкая. Обсуждалась, например, и термодиффузионная технология.

Американцы в итоге сделали ставку на газовую диффузию. И в СССР большие успехи в 1946 году были достигнуты на том же пути. Но надо иметь в виду, что после 1945 года все страны-победительницы новейшие научно-технические разработки фашистской Германии старались забрать себе, причём не только документацию и установки, но и специалистов.

В Союз приехало много немецких учёных. Группа во главе со Штейнбеком, в которую входили, в том числе, Циппе и Шифер, в сухумском Физико-техническом институте занималась центрифугой. Была изготовлена надкритическая центрифуга 5 см в диаметре, соединённая сильфонами – длинная такая колбаса. И они её раскрутили, посадили на иглу, приладили сверху магнит, чтобы не очень сильно давило на опору, поставили молекулярный насос, чтобы уменьшить трение.

Наши конструкторы позже посмотрели эти центрифуги и сошлись во мнении, что для увеличения производительности нет смысла гнаться за длиной, скорость приоритетнее. Но к тому времени, когда появилось постановление о старте серийного производства, немцев – того же Штейнбека и Циппе, переведённых сначала из Сухуми на работу в ОКБ Кировского завода, уже убрали и оттуда. Их отправили на Украину, а в 1956 году вовсе отпустили из СССР. Штейнбек потом стал президентом Академии наук ГДР, Циппе поехал в Западную Германию. Он вообще умный мужик был и быстренько запатентовал подкритическую машину. Долго ездил в Америку, демонстрировал там её, хотел пробить внедрение. Но успеха достиг только к 1970-м, когда был сформирован концерн URENCO (Англия, Голландия, Германия). Так что у них первый обогатительный завод открылся чуть ли не на 15 лет позже, чем у нас.

– URENCO так и работает с длинными центрифугами. Российские значительно короче…

– Когда мне задают вопрос, почему они пошли по пути длинной машины, а мы – короткой, я всегда отвечаю: наше счастье, что Циппе уехал раньше.
Я прибыл в Новоуральск в 1960 году на практику, первый газоцентрифужный хвост только-только запустили. Агрегаты тоже стояли в один ярус. Потом уже разобрались с устойчивостью газового ротора, поняли, как он реагирует на сейсмические воздействия, и проектанты предложили промышленный завод сделать уже на трёхъярусных колоннах. Через какое-то время колонны снова «подросли», и это позволило значительно повысить производительность с площади.

Циппе нашу короткую машину видел, но на тот момент ещё разработчики очень боялись сейсмических воздействий. Были опасения, что если произойдёт даже незначительное колебание, может случиться задевание ротором неподвижной детали. И тогда, из-за скорости вращения центрифуги, разнесёт всё вокруг. Поэтому большинство специалистов отказывались от идеи располагать машины ярусами. И в URENCO начали думать над тем, как увеличить производительность, но пошли по другому пути. Решили сделать машину длиннее, и после подкритических центрифуг переключились на надкритические.

– В чём между ними разница?

– У подкритической центрифуги рабочая частота вращения ниже, чем первая критическая резонансная частота. А надкритическая машина работает уже за этой частотой. Чтобы её вывести на рабочую мощность, надо пройти критическую скорость, после которой она будет устойчиво работать. Это сложная задача, конечно. Но станкостроительная промышленность в Европе была на существенно более высоком уровне, особенно в Германии.

Наше преимущество состоит в умении делать подкритические машины большими тиражами. Если машины длиннее, значит обогатительным заводам их нужно меньше. Так что производство URENCO можно условно отнести к мелкосерийному.

Последняя модификация их центрифуг имеет высоту примерно 7 м, наша – метр, а американцы делают сейчас даже по 12 м. Но если посчитать разделительную мощность на квадратный или кубический метр, то российские показатели лучше.

– Можно ли объективно сравнивать наши центрифуги и западные? Ведь никто, как я понимаю, показателей своих не раскрывает.

– Мы встречаемся с коллегами на научных конференциях. И в докладах все обычно говорят хотя бы примерно о том, какая ожидается производительность, какие скорости и так далее.

Вообще, сейчас сменилась политика рынка: раньше на нём были американские газодиффузионные машины, была Россия, ещё Eurodif и URENCO. Теперь все переходят на центрифужную технологию. Китай с нашей помощью строит разделительные заводы. В Японии есть завод где-то на миллион ЕРР, хотя вообще они планировали на полтора миллиона. Это небольшое предприятие, но мысль была начать с малого, чтобы постепенно выйти на полное обеспечение местных АЭС. Есть заводики в Бразилии, Аргентине и ЮАР.

Так вот, сегодня государства, имеющие амбициозные программы по развитию атомной энергетики, придерживаются негласного правила о диверсификации поставщиков. Чтобы все яйца в одну корзину не складывать. И участники рынка понимают: если хочешь получать стабильные заказы, надо с этими странами договариваться, открывать на их территории обогатительные предприятия. Допустим, Китай объявляет о намерениях построить АЭС на 40 ГВт, значит ему понадобится примерно 20 млн ЕРР. И если мы заложим там завод в рамках СП, то ясно, к кому китайцы в первую очередь будут за разделением обращаться. Так что сейчас все игроки пытаются такие проекты продвигать.

– Особенно на американском рынке…

–  Естественно. Потому что там самое большое количество АЭС и до последнего времени всё основывалось на газовой диффузии. Теперь начат переход на газовую центрифугу, но пока не очень успешно. Ведь у американцев в определённом смысле техническая трагедия случилась. Они в своё время поняли, что надо бы заняться центрифужным методом, и вложили в этот проект очень большие деньги – миллиарды долларов. Разработали опытную машину, публиковали материалы, характеристики. Модели SET-3 и SET-4 были громадной высоты – 9 – 15 м, с большой разделительной способностью.

Наша делегация ездила в Пайктон, штат Огайо, где газодиффузионный завод работает, там как раз был один корпус с большими центрифугами. Но потом, по какой причине, достоверно неизвестно, проект свернули. Я в 1991 году на конференции спросил у представителей США: «Почему вы прекратили заниматься центрифугой? У нас разные версии: то ли поняли, что не очень получается (но у вас же стояли машины), или, говорят, авария какая-то была». Те улыбнулись и сказали: и то и другое. В итоге американцы сосредоточили усилия на лазерном разделении.

– Расскажите подробнее о лазерном разделении. Очень интересная тема.

–  Сначала был метод AVLIS: лазерное разделение атомных паров урана. Параллельно развивалась и молекулярная технология лазерного разделения. В первом случае металл нагревается, на его испарение направляется лазерное излучение определённой волны. Оно возбуждает атомные пары урана-235, а потом выводит эти ионизованные атомы по своей траектории. А во втором случае не пары металла, а молекулы гексафторида, и на них воздействуют другим спектром лазера.

Так вот, в США сосредоточились на AVLIS. И в начале 1990-х годов в Вашингтоне на конференции было много докладов на эту тему. И URENCO, и французы, японцы и американцы демонстрировали слайды с опытными установками. Казалось, ещё чуть-чуть – и наступит эра лазерного разделения.

– А в нашей стране такие исследования велись?

– Да, мы тоже не стояли на месте. В Институте молекулярной физики Курчатовского института была лазерная установка, на которой отрабатывались технологические переделы для атомарного и молекулярного разделения. А потом центральная заводская лаборатория и опытный цех УЭХК получили от Четвёртого главного управления задание по молекулярному методу лазерного разделения изотопов. Но наши оценки показали, что эти методы не конкурентоспособны по сравнению с центрифугами. Так что мы свой выбор сделали.

Как и американцы, которые попытались собрать опытно-промышленные установки для лазерного обогащения, увидели, что по экономике не получается, опять несколько миллиардов долларов затратили и теперь вынуждены вернуться к центрифугам. Сейчас определённые успехи у них есть, хотя большого энтузиазма не видно.

– УЭХК долгие годы сотрудничает со Штатами по контракту ВОУ-НОУ. При разбавлении высокообогащённого урана используется какая-то особенная технология?

– Метод разбавления ВОУ запатентован нами в России и в Соединённых Штатах. Идея очень простая. Помимо 235-го и 238-го изотопов в природном уране есть ещё один – 234-й. Он самый лёгкий и к тому же альфа-активный. Когда на каскадной установке получают оружейный материал с концентрацией урана-235 выше 90 %, то, естественно, в него попадает практически весь уран-234. Но атомным электростанциям нужно такое содержание изотопов, чтобы урана-234 было не больше определённого объёма, иначе на фабрикации в процессе снаряжения таблеток этот альфа-излучатель создаст некоторые трудности. Надо было или очистить от него ВОУ, или наработать особый разбавитель, тогда при смешивании мы добились бы нужной концентрации. А ведь при разделении природного урана 234-й изотоп уходит в обогащённую часть, а в отвальной его практически нет. В итоге мы отвалы дообогащаем до 1,5 %, в газовой фазе мешаем с ВОУ и получаем низкообогащённый уран.

– Сейчас обсуждается возможность строительства в США завода по обогащению урана при участии России. Как вы считаете, в чём тут интерес американской стороны?

– Думаю, наша центрифуга нужна американцам, потому что они очень крепко задумываются над выбором размера машины. Сама-то технология уже всем известна. Концерн URENCO свои услуги предложил: строится уже завод National Enrichment Facility (NEF) в Нью-Мексико, там сейчас запущена первая очередь примерно на 50 тыс. ЕРР. Areva готова открыть в Игл-Рок центрифужный завод. Но у французов всё те же машины, потому что они купили у URENCO 50 % акций производителя ETC.

Разговор о совместном проекте с Россией заходит не первый раз. Ещё в 1995 году или чуть позже в Сан-Франциско во время конференции хотел с нами встретиться по этому поводу Жан Лонгнекер. Этот энтузиаст центрифужного метода был среди тех, кто в своё время продвигал первый проект URENCO в начале 1990-х во Флориде – Louisiana Energy Services,
или LES-1.

– А почему тогда не получился совместный проект?

–  Нашим конкурентам проще: URENCO – не государственная компания и в США работает через частные фирмы, в основном это владельцы АЭС. У нас же все предприятия тогда были под Минатомом, и с бизнес-структурами следовало договариваться на уровне правительств. К тому же между Россией и Штатами не существовало соглашения о мирном использовании атомной энергии. Но как только документ был подписан, американская корпорация USEC сразу выступила за строительство российского завода.

– Но ведь лазерное обогащение американцы так и не забросили. Есть ещё проект SILEX. Что вы можете о нём сказать?

– Детали неизвестны, его засекретили. В основе лежит разработка группы австралийских учёных. Я уже говорил о проектах атомного и молекулярного лазерного разделения. Но рассматривалась также альтернативная идея. Чтобы атом или молекулу ионизировать, надо затратить определённое количество энергии. И сразу возникла такая мысль: нельзя ли бомбардировать уран-235, не производя много работы. Потом к возбуждённому изотопу добавить химическое вещество, с которым уран-235 будет взаимодействовать, а 238-й – нет, и сэкономить энергию. Похоже, SILEX – нечто в этом роде. Но точных сведений пока не публикуется. Хотя, честно говоря, с трудом верится, что какая-то революционная вещь могла произойти. К тому же нельзя сбрасывать со счетов следующий факт: центрифуга крутится 30 лет, а лазерные устройства, которые известны сегодня и которые обладают нужным диапазоном волн, имеют ресурс в пределах года, может, чуть больше. Постоянная замена основных фондов сильно подрывает экономику.

Ещё один момент. В центрифуге разделение идёт при давлении ниже атмосферного, это примерно десятки миллиметров ртутного столба, то есть вещество достаточно плотное. А чтобы работать с лазером, надо очень разреженный поток вещества иметь, иначе излучение будет поглощаться на раннем этапе. С этим тоже связаны определённые технологические сложности. Так что, думаю, в ближайшие 20 – 30 лет лазер центрифугам не конкурент.

 

 

СПРАВКА
При вращении центрифуги создаётся центробежная сила. В этом поле тяжёлые изотопы идут на периферию, а лёгкие – ближе к центру. В машине организуется циркуляционный поток, в котором происходит диффузионный обмен. За счёт него первичный эффект обогащения умножается в несколько раз. В результате на одном конце собираются молекулы гексафторида с высоким содержанием урана-235, а на другом – обеднённая фракция, в которой больше молекул урана-238.