6 марта 2011

Разделяй и властвуй

Любая страна, претендующая на статус ядерной державы, ставит первостепенной задачей овладение технологией промышленного обогащения урана. А это вопрос по известным причинам весьма деликатный. Недаром картинки, более или менее близкой к реальной конструкторской документации на соответствующее оборудование, в открытых источниках не найти. Куда легче обнаружить схему образца какой-нибудь водородной бомбы, чем настоящей газовой центрифуги.

Урана в земной коре маловато — где-то 2,5–2,9 десятитысячных процента. Причём способного к спонтанному делению урана 235 в природном сырье всего 0,711%. А для запуска реактора атомной электростанции необходимо, чтобы этого изотопа в ядерном топливе было 3–5%. В оружейном уране степень обогащения увеличивают до 90% и даже более.

Каким образом? Путём разделения исходного сырья, в котором доминирует уран 238, на «продукт» — фракцию, обогащённую ураном 235, и обеднённый «отвал». «Продукт» называется высокообогащённым, если содержит свыше 20% урана 235, низкообогащённым — если менее. В отвальном уране доля изотопа на уровне 0,3% и ниже.

СУММА ТЕХНОЛОГИИ

Процесс обогащения по сложности вполне можно сравнить с обнаружением иголки в стоге сена. Для определения его эффективности придуман особый показатель — единица разделительной работы (ЕРР). Это математическая функция, связывающая массу поступившего на переработку урана со степенью его конечного обогащения.

Для наработки низкообогащённого ядерного топлива, достаточного для загрузки одного тысячемегаваттного водо-водяного реактора АЭС, нужно задействовать до 100–120 тыс. ЕРР, зато для получения 20 кг высокообогащённого урана оружейной кондиции — в 30 раз меньше.

Прежде чем приступить к разделению изотопов урана, надо получить некий «урановый газ». Именно на разном поведении молекул газа неодинаковой массы основаны два самых распространённых метода обогащения урана — газодиффузионный и центрифужный. Таким газообразным соединением урана является его гексафторид — UF6. Он вырабатывается взаимодействием соединений урана (полученных из урансодержащей руды) с фторирующими агентами, например плавиковой кислотой.

Гексафторид урана — твёрдое вещество, которое легко переходит в газообразное состояние, минуя жидкую фазу, всего при 56 градусах. Это и есть тот самый «урановый газ», используемый в качестве сырья — специалисты называют его «питанием» — при обогащении урана газовой диффузией и центрифугированием.

Метод газовой диффузии основан на способности «лёгких» молекул гексафторида урана 235 проникать через специальные перегородки с микропорами быстрее, чем такие же молекулы, но «тяжёлые», с ураном 238. При центрифугировании же «тяжёлые» молекулы собираются у стенок ротора центрифуги, а «лёгкие» — у его оси. Поскольку речь идет об «иголке в стоге сена», то количество газодиффузионных и центрифужных обогатительных машин весьма велико. Они объединены в каскады, а те, в свою очередь, состоят из ступеней таких машин. Обогащающийся по 235 му изотопу уран последовательно переходит из ступени в ступень.

К примеру, к середине 2008 года на обогатительном заводе в иранском городе Натанзе эксплуатировалось порядка 4 тыс. газовых центрифуг общей мощностью до 9 тыс. ЕРР. И это вовсе не много: более мощные урановые газоцентрифужные заводы оперируют десятками, а то и сотнями тысяч центрифуг.

Газодиффузионные технологии пришлись по вкусу американцам и французам, а на центрифужном процессе — он куда экономичнее — базируется российская промышленность обогащения урана. Можно констатировать, что русская газовая центрифуга стала национальным брендом сродни атомным ледоколам, тульскому самовару и автомату Калашникова.

КАК ВСЁ НАЧИНАЛОСЬ

Нужно сказать, отличающиеся профессиональной пытливостью зарубежные организации вроде ЦРУ и не чуждых ему «фабрик мысли» типа американской же корпорации RAND питали понятный интерес к обогащению урана в СССР. Однако железобетонный занавес секретности, сшитый по конспирологическим выкройкам ещё товарища Лаврентия Берии, оказался столь эффективным, что США сами же признавались в огромных погрешностях собственных оценок, связанных с этой темой.

Так, в капитальном труде «Советское ядерное оружие», изданном в 1989 году в штатах Советом защиты природных ресурсов (Natural Resources Defense Council, Inc.), сообщалось, что к середине 1980 х годов запасы высокообогащённого урана в Советском Союзе были примерно равны запасам США, то есть 500 т, но с поправкой на пятидесятипроцентную погрешность. В том же источнике со ссылкой на опубликованный в 1985 году ЦРУ «Атлас энергетики СССР» утверждалось, что «в СССР, как и в США, практически весь уран для военных целей производится газодиффузионным методом» и «проводятся исследования по нескольким альтернативным газодиффузионному методам обогащения урана».

А как же было на самом деле? Новая информационная эпоха, начало которой положила горбачёвская гласность, позволила заглянуть за упомянутый выше железобетонный занавес не только зарубежным аналитикам, тут же приступившим к работе над своими грубыми ошибками, но и любопытным гражданам страны лучших в мире (и это уже без всякой иронии) газовых центрифуг.

Работы по проблеме обогащения урана в рамках Атомного проекта начались в 1945 году. Газодиффузионная тематика, на которой был сделан упор с учётом сведений, добытых в США советской разведкой, велась под руководством Исаака Кикоина. Кроме того, исследовались возможности разработки электромагнитных и термодиффузионных технологий разделения изотопов урана.

Созданием первых газодиффузионных машин занимались опытно-конструкторские бюро Ленинградского Кировского и Горьковского машиностроительного заводов. Работы велись ударными темпами, свойственными Атомному проекту. В 1949 году на комбинате № 813, ныне известном как Уральский электрохимический комбинат (город Новоуральск, он же когда-то Свердловск 44), начал действовать первый в СССР газодиффузионный завод Д 1. Здесь смонтировали 7040 ураноразделительных машин суммарной мощностью 7,5 тыс. ЕРР. В 1950–1957 годах в Новоуральске вступили в строй ещё четыре более мощных обогатительных завода — Д 3, Д 4, СУ 3 и Д 5.

Первоначально завод Д 1 производил уран с обогащением 75%, что было недостаточно для производства ядерного оружия, и до девяностопроцентной кондиции он доводился электромагнитным способом на разделительной установке СУ 20 завода № 418 в Свердловске 45 (ныне комбинат «Электрохимприбор», город Лесной). Электромагнитный способ, основанный на различии радиусов траекторий движущихся в магнитном поле ионизированных молекул с атомами урана 238 и урана 235, был разработан под руководством Льва Арцимовича, а сама промышленная технология предложена Ленинградским НИИ электрофизической аппаратуры.

ВПЕРЕДИ ПЛАНЕТЫ ВСЕЙ

Уже в 1950 году на заводе Д 1 научились обогащать уран до 90%, надобность в дообогащении в Свердловске 45 отпала. Тамошнюю установку СУ 20 приспособили для производства других изотопов — уже не урановых, а площадки, предназначенные для электромагнитного обогащения урана, передали под сборку ядерных боеприпасов. Кстати, электромагнитный способ обогащения урана в 1980 е годы пытались реализовать в Ираке — здесь незадолго до нападения на Кувейт начали строительство обогатительной установки в районе Тармия севернее Багдада. В целом электромагнитный метод малоперспективен из-за значительных энергозатрат.

Обогащение урана методом газовой диффузии было также начато в 1953 году на комбинате № 816 в Томске 7 (сейчас Сибирский химический комбинат, Северск), а в течение 1957–1963 годов вышло на полную мощность газодиффузионное производство Д 8 на комбинате № 820 в Ангарске (Ангарский электролизный химический комбинат). В 1962 году вступил в строй электрохимический завод в Красноярске 45 (Зеленогорск), где также применялся газодиффузионный метод обогащения урана.

В начале 1960 х годов в Советском Союзе было решено перейти на центрифужную технологию — более прогрессивную, нежели газодиффузионная. Начало её разработки относится к 1946 году — тогда над этим трудились в Сухумском физико-техническом институте. Через пять лет работы были продолжены в ОКБ Ленинградского Кировского завода, что позволило уже в 1961 году ввести в эксплуатацию на Уральском электрохимическом комбинате опытный участок с 2,5 тыс. газовых центрифуг.

Эксплуатация продемонстрировала технико-экономические преимущества центрифужного обогащения урана, и в 1962–1964 годах в Новоуральске построили первый в мире центрифужный завод. В 1988 году на Уральском электрохимическом комбинате было окончательно прекращено использование газодиффузионного метода. Перешли на центрифуги и на Сибирском химическом комбинате, а также на электрохимическом заводе в Зеленогорске. А вступление в строй первой очереди центрифужного обогащения в Ангарске в 1991 году совпало по времени с полным отказом СССР от газодиффузионной технологии. Так что американцы серьёзно ошибались с характеристикой советского уранообогатительного комплекса.

Производство высокообогащённого оружейного урана в СССР было прекращено ещё в 1988 году, и все отечественные обогатительные заводы были переориентированы на производство урана для энергетических реакторов — наземных и морских. Половина российских обогатительных мощностей приходится на Уральский электрохимический комбинат. Здесь, по оценкам экспертов, сосредоточено около 10 млн. ЕРР.

Существующие сегодня в мире мощности обогащения урана оцениваются в 50 млн. ЕРР, из них 20 млн. — наши, считают специалисты. Собственные данные Россия не раскрывает. Отечественная урановая промышленность находится на ведущих позициях. И это один из приоритетов, которые определяют конкурентоспособность страны на международном рынке ядерных технологий. Завоевание новых секторов этого рынка входит в число стратегических задач русского атома.

Константин ЧУПРИН,
«Страна РОСАТОМ»

 


СПРАВКА

Крупнейшими мощностями по обогащению урана кроме России располагают европейские консорциумы Eurodif (Бельгия, Испания, Италия, Франция) и URENCO (Великобритания, Германия, Нидерланды), а также компании США и Японии. Технологиями обогащения урана владеют Аргентина, Бразилия, Израиль, Индия, Иран и Пакистан.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

 

Разделение молекул с атомами разных изотопов урана происходит в гексафториде урана (UF6) — газообразном соединении, которое получают из урановой руды.

Гексафторид подаётся во внутреннюю полость ротора центрифуги через трубопровод питания и поступает в пространство возле оси ротора. При вращении с огромной скоростью за счёт центробежной силы газ начинает разделяться на «тяжёлую» и «лёгкую» фракции. При этом «тяжёлые» молекулы урана 238 собираются на периферии, а «лёгкие» молекулы урана 235 — в центре.

С помощью специальных приёмов в центрифуге создаётся поток циркулирующего газа в осевом направлении, в результате чего молекулы, содержащие уран 235, сосредотачиваются в нижней части ротора, а молекулы, содержащие уран 238, — в верхней. Вывод потоков газа с разными изотопами осуществляется с помощью особых трубок, установленных в роторе. Их соединяют последовательно в цепочку, называемую разделительным каскадом.