30 лет без единой поломки на скорости 1500 оборотов в секунду вращается главная российская государственная тайна: в газовых центрифугах происходит обогащение урана.
Фото: Коммерсантъ / Королев Николай
Фото: ТВЭЛ
Изотопы находят широкое применение в различных областях: в энергетике (атомные электростанции на уране-235), медицине (диагностические реагенты и прекурсоры для радиофармпрепаратов), в охранных системах (гелий-3), в метрологии, в электронике, научных исследованиях по химии, физике, в биотехнологиях, в агрохимии. Изотопы будут необходимы в международных проектах GERDA и MAJORANA (исследование свойств безнейтринного двойного ?-распада), XMASS (регистрация солнечного нейтрино), WARP (изучение темной материи Вселенной). Большинство стабильных изотопов производится методом газового центрифугирования. Лидирующее положение в этой области - и по научному обеспечению аппаратов, и по производительности центрифуг, и по производственным мощностям заводов - занимает корпорация "Росатом", которая в настоящее время эксплуатирует центрифуги поколения от 6-го до 9+.
Конструкционные детали российских (да и прочих) центрифуг являются государственной тайной. К экспорту разрешены только центрифуги 5-го поколения (недавно были поставки в Китай). А центрифужная программа Ирана, как известно, стала причиной крупного международного конфликта, к счастью, уже разрешенного при участи России. Если воспользоваться аналогией с боевыми истребителями, где также принято выделять поколения техники, то получится, что к экспорту разрешены только МиГ-21, а самолеты поколений 3, 4, 4+ и 4++ известны лишь по их общим силуэтам.
В число предприятий госкорпорации "Росатом", использующих газоцентрифужный метод, входят следующие:
1) АО "Электрохимический завод", производит 95 наименований изотопов;
2) АО "Сибирский химический комбинат" - 91 наименование изотопов;
3) ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ - 24 наименования.
Собственно производством газовых центрифуг для обогащения изотопов занимаются ОАО "Ковровский механический завод" и ООО "Уральский завод газовых центрифуг".
Гексафторид урана, UF6
Всего в России производится 11 изотопов 21 элемента. Это изотопы тяжелых металлов (урана, молибдена), неметаллов (серы, селена и др.), благородных газов (аргона, ксенона) и металлов средних масс (цинка, железа и т. д.).
Как рассказал "Науке" Вадим Раев, заместитель генерального директора, директор разделительного производства АО "Уральский электрохимический комбинат", "перед принятием решения о запуске в серийное производство все разработанные модели центрифуг проходят опытно-промышленные испытания в технологической цепочке разделительного предприятия. Испытания первых центрифуг девятого поколения в ОАО УЭХК были начаты в 2010 году, а к серийному производству приступили в 2012 году. Габариты машин первого и девятого поколений остались почти теми же. Предприятия-изготовители газовых центрифуг поставляют разделительным предприятиям центрифуги в агрегатах - по двадцать машин, а в цехах они размещаются на колоннах ярусами, друг над другом. С течением времени эти колонны не меняются, на них помещается одно и то же количество агрегатов. Но при этом производительность одной газовой центрифуги увеличилась более чем на порядок, а себестоимость ее единицы работы разделения сократилась примерно на такую же величину. Это произошло в первую очередь за счет использования новых материалов, которые способны выдерживать большие нагрузки. Срок службы вырос от трех-пяти лет для первых поколений до тридцати лет для современных типов центрифуг. То есть тридцать лет ротор центрифуги беспрерывно крутится со скоростью больше тысячи оборотов в секунду!".
Современная газовая центрифуга чрезвычайно надежна в эксплуатации. Сейчас российские центрифуги имеют интенсивность отказов ниже 0,1% за год, то есть один отказ на тысячу эксплуатируемых центрифуг.
Принцип действия центрифуги
В сущности центрифуга - это просто быстро вращающийся барабан. Центробежная сила по-разному действует на легкие и тяжелые частицы, что создает в центрифуге области с повышенным и пониженным содержанием тяжелого изотопа. На один выход из центрифуги собирается обогащенная фракция, на другой - обедненная. Коэффициент сепарации в единичной центрифуге невелик (от 1,01 до 1,1), поэтому процесс многократно повторяется в следующих центрифугах. Степень разделения квадратично растет с ростом скорости вращения, так что центрифугу желательно раскрутить как можно сильнее. Типичные линейные скорости у внешнего края ротора - 350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах, поэтому давление у оси центрифуги и у внешней стенки может различаться в десятки тысяч раз.
Центрифужная технология заняла нишу производства изотопов в промышленных объемах с известными ограничениями: у изотопа должно быть соединение в газообразной форме при нормальных температурах, умеренно агрессивное к материалам центрифуги.
Надкритические центрифуги
Подкритические центрифуги поколений с 1-го по 8-е работают со скоростью вращения ротора ниже той, при которой наступает его собственный резонанс. Надкритические центрифуги этот барьер "проскакивают". Сложность создания ГЦ-9 была связана именно с необходимостью прохождения при разгоне резонансных частот, что грозит разрушением конструкции.
Как пояснил начальник отдела по производству газовых центрифуг, заместитель директора департамента по техническому развитию производств АО ТВЭЛ Андрей Петрович Гергерт, "ГЦ-9 - это первая серийная надкритическая центрифуга, то есть работает на повышенной скорости за пределами собственного резонанса. Этим были обусловлены все сложности по освоению производства, накоплению доказательной базы по обеспечению ресурсной надежности ГЦ. В российской практике принято, что каждое последующее поколение на 50% производительнее предыдущего, что и было реализовано в ГЦ-9. Кроме того, в настоящее время идет изготовление установочной серии ГЦ поколения 9+ на ПАО КМЗ. Мы надеемся, что по итогам опытной эксплуатации эта машина будет рекомендована в серийное производство с 2017 года".
Центрифуги - обычные с виду пустотелые цилиндры длиной около 1 метра с отшлифованной внутренней поверхностью. Выглядят как обрезки труб с соединительными фланцами на концах. Главным элементом конструкции является ротор на игле с корундовым подпятником, "подвешенный" в магнитном поле, который делает порядка 1500 оборотов в секунду. Иглы делают из обычной рояльной проволоки, из которой тянут струны. А вот способ закалки наконечника - ноу-хау.
География поставок российской изотопной продукции США, Канада, Бразилия, Мексика, Германия, Франция, Испания, Голландия, Бельгия, Дания, Италия, Норвегия, Швеция, Польша, Венгрия, Финляндия, Корея, Тайвань, Китай, Япония, Индия, Иордания, Саудовская Аравия, Австралия, Узбекистан и другие страны.
Фото: Валерий Доронин, Коммерсантъ
Обогащение урана-235 на центрифуге
На заре создания ядерных вооружений одной из ключевых проблем стало разделение изотопов урана. Этот тяжелый радиоактивный металл встречается в природе в виде смеси двух основных изотопов. Основную долю (чуть меньше 99,3%) составляет уран-238. Содержание более легкого изотопа - урана-235 - составляет всего 0,7%, но именно он необходим для создания ядерного оружия и работы атомных реакторов.
Разделить изотопы совсем не просто. Их химические свойства идентичны (это ведь один и тот же химический элемент), а разница в атомной массе составляет чуть более 1%, так что физические методы для разделения должны иметь очень высокую избирательность. Именно решение в 1950-х годах этой проблемы определило успех советской ядерной отрасли и заложило основу для конкурентоспособности российской ядерной промышленности на мировом рынке. Газовые центрифуги для разделения изотопов и были разработаны и доведены до совершенства в первую очередь для обогащения урана изотопом U-235.
Перед обогащением природная смесь изотопов урана переводится в газообразную фазу в виде гексафторида урана. Высокая степень разделения достигается использованием множества газовых центрифуг, собранных в каскад, что позволяет достичь более высокого обогащения урана-235 при значительно меньших энергетических затратах - по сравнению с диффузионным каскадным процессом разделения изотопов, использовавшимся ранее.
Сейчас в мировом производстве обогащенного урана подавляющая часть приходится на четыре фирмы: ГК "Росатом" (40% мировых мощностей), англо-голландско-немецкую URENCO (35%), французскую Areva (15%), китайскую CNNC (8%). Остальное приходится на Японию, Иран, Пакистан и Бразилию.
В нашей стране первый каскад центрифуг заработал в 1957 году на Уральском электрохимическом комбинате в городе Новоуральске (сейчас это закрытое административно-территориальном образование), в 70 километрах к северу от Екатеринбурга. Проведение модернизации позволило в 2015 году остановить все технологические блоки, укомплектованные устаревшими, выработавшими ресурс газовыми центрифугами пятого поколения. Аналогичной технологией разделения изотопов урана в атомной отрасли России сегодня обладают: АО ПО ЭХЗ (город Зеленогорск Красноярского края), АО СХК (город Северск Томской области), АО АЭХК (город Ангарск Иркутской области).
Реализацию услуг по обогащению урана на мировом рынке осуществляет АО "Техснабэкспорт" (TENEX). Потребителями продукции являются 29 компаний из 12 стран - Бельгии, Германии, Испании, Китая, ОАЭ, США, Финляндии, Франции, Швеции, ЮАР, Южной Кореи и Японии - по 35 внешнеэкономическим контрактам.
"Росатомом" в 2015-2016 годах обеспечено выполнение договорных поставок продукции разделительного производства 23 различных номиналов (с массовой долей урана-235 в диапазоне 0,711-4,95%) для зарубежных и 8 номиналов для российских заказчиков в соответствии с условиями заключенных контрактов.
Ожидается, что спрос на обогащение урана-235 в перспективе до 2020 года будет уверенно повышаться параллельно с вводом в эксплуатацию новых энергоблоков, в первую очередь в Китае, а также с постепенным частичным возобновлением работы АЭС в Японии. Мировая цена на обогащение в 2017 году прогнозируется в районе 70 долларов за ЕРР с доверительным интервалом +15 долларов с последующим ростом к 2025 году на 30%.
Изотопы в медицине
Изотопные препараты - это самое социально значимое направление современной медицины. В прошлом номере "Науки" мы подробно рассказали о нейтрон-захватной терапии на базе изотопа бор-10. Здесь упомянем другие направления.
Изотопы молибден-98 и молибден-100 используются для получения медицинского радиоизотопа 99Мо, который используется в диагностике самых разных заболеваний. Изотопы инертных газов применяют для магниторезонансной диагностики легких.
Очень перспективный проект связан с использованием углерода-13. Этот изотоп является основой медицинских дыхательных тестов, с помощью которых можно установить, заражен ли желудочно-кишечный тракт человека бактерией Helicobacter pylori - главной причиной развития гастрита, дуоденита, язвы желудка и двенадцатиперстной кишки и даже рака желудка.
Изотопы в атомных батарейках
Элементы питания атомного типа на базе никеля-63 нужны там, где процедура замены химических источников тока (обычных батареек) высокозатратна или небезопасна. К примеру, в медицине нужен источник тока для кардиоимплантов. В других отраслях - всевозможные датчики систем мониторинга и контроля: в нефтехимии, в дорожной инфраструктуре, сейсмические и подводные датчики, системы бесперебойного электропитания для блоков памяти информационных систем, устройств мобильной связи, микропроцессорной техники и т. д.
Востребованы такие элементы питания и в оборонном комплексе - на спутниках, беспилотных летательных аппаратах, в другой военно-космической технике. А еще в них нуждаются микророботы, микроконтроллеры, системы защиты от несанкционированного доступа.
Изотопы в биологии
В биологии изотопы применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биологических задач, изучение которых другими методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование изотопов не нарушает целостности организма и его основных жизненных отправлений. С применением изотопов связаны многие крупные достижения современной биологии. С помощью стабильных изотопов водорода, углерода, азота, серы, железа изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и прочих биологически активных соединений, а также химические механизмы их превращений в живой клетке. Использование изотопов привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза.
С помощью изотопов выполнено огромное число исследований в самых разных направлениях биологии и биохимии. Это, например, работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отдельных особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отдельных соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путем инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции многих насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и других мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью изотопов решен ряд теоретических и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растениях, а также роль различных химических элементов, в том числе микроэлементов, в жизни растений.
Перечень стабильных изотопов, выпускаемых ГК "Росатом" газоцентрифужным методом
|
Литература
1. Отчет УЭХК за 2015 год http://www.ueip.ru/AboutCompany/open_info/annual_reports/%D0%93%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9%20%D0%9E%D1%82%D1%87%D0%B5%D1%82%20-%202015.pdf
2. Обзор рынка изотопов медицинского назначения в России http://www.infomine.ru/research/35/271