Газовая центрифуга

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Каскад газовых центрифуг на заводе в Пайктон, штат Огайо с 1984

Газовая центрифуга — устройство для разделения (сепарации) газов с разным молекулярным весом.

Наиболее известны газовые центрифуги для разделения изотопов, в первую очередь подразумевается современный способ обогащения урана изотопом U-235 для атомной энергетики и атомного вооружения. Перед обогащением природная смесь изотопов урана переводится в газообразную фазу в виде гексафторида урана. Высокая степень разделения достигается использованием множества отдельных газовых центрифуг, собранных в каскад, что позволяет последовательно достичь более высокого обогащения урана-235 при значительно меньших энергетических затратах по сравнению с диффузионным каскадным процессом разделения изотопов, используемым ранее. Газоцентрифужная технология представляет сегодня самый экономичный способ разделения изотопов урана[1], использует значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеет множество других преимуществ.

История[править | править вики-текст]

В 1919 году Линдеман и Астон предложили использовать центрифугу для разделения изотопов.[2][3] Первое практическое разделение изотопов центрифугированием проведено в 1936 году.[4] Однако технологическая сложность оптимизации центрифужной технологии привели к предпочтению газодиффузионной технологии. В СССР в 1940 году сотрудниками УФТИ Ф. Ланге, В. А. Масловым и В. С. Шпинелем была подана заявка на «Способ приготовления урановой смеси, обогащенной ураном с массовым числом 235. Многокамерная центрифуга», на которую выдано авторское свидетельство № 6359с.[5][6] На основе этих идей в 1942—1943 годах в Уфе Ланге построил и испытал многокамерную экспериментальную центрифугу.[7][8][9][10]

В СССР в 1946—1952 гг. центрифугами занималась группа «трофейных» немецких ученых под руководством Др. Макса Штеенбека, перемещенных НКВД в 1945 году в НИИ-5 в Сухуми.[11]. Об условиях работы в те годы в Сухуми и достижениях по созданию к 1952 году работающего стенда газовой центрифуги, подробно описано в воспоминаниях Н. Ф. Лазарева, который в те годы, будучи техником в группе Штеенбека, тесно работал с доктором Гернотом Циппе[12] В январе 1951 года результаты работ по развитию газовой центрифуги были доложены на заседании Технического совета, а в сентябре 1952 года часть группы Штеенбека была переведена из Сухуми в Ленинград, на ОКБ Кировского завода. В 1953 группа была отстранена от дальнейшего участия в этих работах и в 1956 году ученые возвратились в Германию. Воспоминания об этих работах можно также найти у профессора П. Е. Суетина (впоследствии ректора Уральского университета (1976—1993)). В 1952 году он был аспирантом Е. М. Каменева.

К. Стеенбек — разрабатывал в какой-то мере противоположную идею. Он решил создать очень длинную центрифугу (около 300 см), поскольку её разделительная способность пропорциональна длине. Ротор центрифуги представлял собой полтора десятка отрезков тонкостенной трубы, соединенных гибкими сильфонами. Центрифуга поддерживалась в вертикальном положении магнитом в её верхней части, а низ ротора опирался на гибкую иглу, вращающуюся вместе с ротором в неподвижном подшипнике, погруженном в масло и связанным с демпфером, гасящим колебания ротора. В натуре я эту машину не видел, но в 1952 г. подробно познакомился с научным отчетом её автора, Стеенбека. Основным недостатком центрифуги являлся трудный запуск, так как при переходе через последовательную серию критических оборотов её нужно было поддерживать системой роликов, возвращающих ротор к оси вращения. Да и после достижения рабочих оборотов случайные возмущения легко выводили её из устойчивого вращения. Главной счастливой находкой Стеенбека стала гибкая игла.[13]

К 1952 году лаборатория И. К. Кикоина Института атомной энергии закончила научную разработку газодиффузионных методов изотопного разделения и занялась газовыми центрифугами.[13] Наиболее активным энтузиастом центрифуг был кандидат физ-мат. наук Евгениий Михайлович Каменев, который и возглавил экспериментальные работы по технической реализации этой идеи. В том же году было переориентировано на создание центрифуг занимавшееся ранее газодиффузионными установками ОКБ при Кировском заводе (главный конструктор ОКБ Н. М. Синев).[14][15][16]

В 1955-57 годах на Кировском заводе изготовили первые партии опытных центрифуг и в 1957 году на УЭХК был пущен первый опытный завод центрифужного разделения. В 2013 году на том же заводе заработала первая установка с российскими центрифугами 9-го поколения.[17]

Устройство основных принципиальных узлов газовой центрифуги были запатентованы на Западе в 1957 году на англо-немецко-голландской фирме URENCO бывшими сотрудниками Макса Штеенбека инженерами Гернотом Циппе и Р. Шеффелем.[18][19].

Устройство газовой центрифуги[править | править вики-текст]

Gas centrifuge.jpg

Важнейшим элементом газовой центрифуги является так называемый ротор — цилиндр (труба), вращающийся в специальном вакуумированном кожухе с огромной скоростью. При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты, на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте вращения ротора выше резонансной, называется надкритической, ниже — подкритической. Рабочим веществом является газообразное соединение природного урана гексафторид урана, получаемой из природной закиси-окиси урана(U3O8) или тетрафторида урана(UF4). UF6 подается в центрифугу через трубопровод питания и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 м/с и более) газ концентрируется у его стенки. У оси ротора образуется разреженная зона с более легкой фракцией. Эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция обеспечивается созданием осевого температурного градиента за счет внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги — нижней и верхней соответственно. Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника в выходной трубопровод. Тяжелая фракция — отвал (или хвост) отбирается.

Наиболее секретными элементами и определяющими для работы центрифуги устройствами были и остаются: нижняя опора ротора, магнитный подшипник, двигатель и др., что представляет собой определенное ноу-хау и запатентовано в различных патентах. Первый такой патент принадлежит сотрудникам группы Др. Макса Штеенбека, которые впервые предложили самостабилизирущую подвижную нижнюю опору, магнитный привод и молекулярный вакуумный насос.[18][20] Параметрами, влияющими на разделительную способность центрифуги являются её геометрические размеры (длина ротора: размеры российских подкритических газовых центрифуг: длина ротора около 1 м, диаметр около 0,5 м.[21]), скорость вращения ротора, а также наличие циркуляции газа в осевом направлении. Развитие оптимальных размеров ротора и других элементов отдельной газовой центрифуги остается актуальной научной и технической проблемой для увеличения к.п.д. и стоимости газоцентрифужной технологии с использованием каскадов газовых центрифуг.

Современное состояние газоцентрифужной технологии[править | править вики-текст]

В настоящее время в мире имеется 4 основных фирмы, занимающиеся обогащением урана, каждая из которых занимает примерно четверть мирового рынка по продажам.

  • ТВЭЛ — российская компания (подразделение ГК «Росатом», сбыт на мировом рынке осуществляется через Техснабэкспорт (TENEX)) использует советско-российские газоцентрифужные технологии.
  • URENCO — совместная (англо-голландская-немецкая) со штаб квартирой в Великобритании использует газоцентрифужную технологию основанную на патенте Циппе.
  • Areva — французская Areva купила 50 % URENCO, инвестировала более 3 миллиардов евро в последние годы в новый завод Georges Besse II. Новый завод работает с апреля 2011 , мощность более 1,5 млн ЕРР в год, в 2016 году он будет работать с полной производственной мощностью 7,5 млн ЕРР в год.
  • USEC — американская обогатительная компания. Проводила разработки центрифужных технологий и в середине 80-х годов неудачно строила демонстрационное предприятие на 1500 центрифуг, практически сразу же закрытое.[22] В 2013 году запустила новый демонстрационный центрифужный каскад с планами на строительство завода.
США, Падука, газодиффузионный завод

В настоящее время производятся или разрабатываются несколько типов центрифуг:

  • ВПО «Точмаш», с 2007 г. Ковровский механический завод производит малопроизводительные надежные центрифуги (длина ротора 90 см, производительность 4-8 ЕРР в год), гарантия до 15-30 лет.
  • URENCO делает центрифуги с длиной ротора 365 см и производительностью 40-80 ЕРР в год.
  • USEC пытаются наладить производство центрифуг с длиной ротора 1310 см и производительностью 340 ЕРР в год.[23] К началу 2014 года смонтирован и испытан один обогатительный каскад из 120 центрифуг. Планируется строительство еще 95 аналогичных каскадов.

Газоцентрифужные технологии в других странах[править | править вики-текст]

2003 г., Контрабанда центрифуг PakSat-I, разработанных Абдул Кадир Ханом в 1980 г в Пакистане, в Ливию остановлена

Пакистан[править | править вики-текст]

Контрабандным путем эта технология была доставлена в Пакистан, бывшим сотрудником фирмы URENCO пакистанского происхождения Абдул Кадир Хана, и в настоящее время контрабандным остается в некоторых странах Азии.[24]

Индия[править | править вики-текст]

Подробности деятельности по обогащению урана в Индии держатся под большим секретом, даже большим, чем другие направления ядерной деятельности. В Индии есть два предприятия для обогащения урана на центрифугах. Интерес к обогащению урана был проявлен еще в начале 70-х годов. Но только в 1986 году председатель индийской Комиссии по атомной энергии Раджа Раманна объявил, что было успешно осуществлено обогащение урана.[25]

Китай[править | править вики-текст]

C 2009 «Техснабэкспорт» начал поставки центрифуг седьмого-восьмого поколения «Китайской компании индустрии атомной энергии». [26]

Иран[править | править вики-текст]

По неофициальным данным[27], в Иране начал работу завод по обогащению урана «Форду», мощности которого расположены в подземных бункерах в толще горного массива неподалеку от города Кум (156 км к югу от Тегерана). При этом глава атомного агентства Исламской Республики Ферейдун Аббаси-Давани заявил, что ввод завода в эксплуатацию ожидается в скором времени. Работы по перемещению центрифуг для обогащения урана из г. Натанц в подземный бункер «Форду» начались ещё в августе 2011 г.

Ливия[править | править вики-текст]

Производство обогащенного урана в мире[править | править вики-текст]

Работы по разделению изотопов исчисляются в специальных единицах работы разделения (ЕРР, англ. Separative work unit, SWU).

Мощности заводов по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР в год согласно WNA Market Report 2013 с прогнозом развития.

страна Компания, Завод 2012 2015 2020
Франция Areva: Georges Besse I и II 2500 7000 8200
Германия, Голландия, Англия, URENCO: Gronau (Германия), Almelo (Голландия), Capenhurst (Англия) 12800 14200 15700
Япония JNFL (англ.)русск., Rokkaasho 150 150 1500
США USEC (англ.)русск.: Paducah & Piketon 5000 3800 3800
США URENCO: New Mexico 2000 5700 5700
США Areva: Idaho Falls 0 1500 3300
США Global Laser Enrichment 0 1000 3000
Россия ОАО ТВЭЛ (TENEX) 25000 30000 37000
Китай CNNC (англ.)русск., Hanzhun & Lanzhou 1500 3000 8000
Пакистан, Бразилия, Иран Разные 100 500 1000
Суммарное 49000 65000 87000


Диффузионная технология является более дорогой, и ее использование сокращается. По оценкам WNA, в мире используются все больше газовых центрифуг: [28]

Технология 2000 2010 2017 (оценка)
Диффузионная 50 % 25 % около 0%
Центрифуги 40 % 65 % 93%
Лазерная 0 0 3 %
Разубоживание оружейного урана
до реакторного (например, ВОУ-НОУ)
10% 10% 4%

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • G. ZIPPE: The development of short bowl Ultra-centrifuges. University of Virginia, Report No. EP-4420-101-60 U (1960).
  • G. ZIPPE, R. SCHEFFEL, M. STEENBECK, DT 1071593 (1957)
  • Heinz Barwich and Elfi Barwich Das rote Atom; Als deutscher Wissenschaftler im Geheimkreis der russischen Kernphysik (Scherz, 1967) (Europ. Buch- u. Phonoklub, 1969) (Fischer-Bücherei, 1970) (Fischer-TB.-Vlg.,Ffm, 1984)- Воспоминания Хайнца Барвиха, «Красный атом», 1967
  • Max Steenbeck: Impulse und Wirkungen. Schritte auf meinem Lebensweg. Berlin 1977. — Воспоминания Макса Штеенбека, «Импульсы и Действия»,1977

Примечания[править | править вики-текст]

  1. ВОЗМОЖНОСТИ РЫНКА ПО ОБОГАЩЕНИЮ УРАНА
  2. Обогащение урана | Основная | Деятельность | «ПО ЭХЗ»
  3. F. A. Lindemann and F. W. Aston, The possibility of separating isotopes, Philos. Mag., 1919, 37, p. 523.
  4. J. W. Beams and F. B. Haynes, The Separation of Isotopes by Centrifuging, Phys. Rev., 1936, 50, pp. 491—492.
  5. Знание—сила : «ЗС» — оnline
  6. Изобретатель и рационализатор: Архив номеров : № 703 07-2008 С.КОНСТАНТИНОВА: УРАНОВАЯ БОМБА ШПИНЕЛЯ И МАСЛОВА
  7. «Уфимский след советской атомной бомбы»
  8. «Атомный проект СССР. К 60-летию создания ядерного щита России». Выставки. Архивы России
  9. http://www.sinp.msu.ru/ru/system/files/nodes_old/24_06_2011_1420_17-Varlamov.pdf
  10. ЭБ СПбГПУ - Дешева, А.С. История создания ультрацентрифуги [Электронный ресурс] / А.С. Дешева. — Электрон. текст. Проверено 19 апреля 2013. Архивировано из первоисточника 20 апреля 2013.
  11. Отчет ЦРУ, обнародованный в 2010 году (англ)
  12. Gorobec1
  13. 1 2 Известия Уральского государственного университета № 12(1999) Проблемы образования, науки и культуры. Выпуск 7
  14. ЗАО «Центротех-СПб»
  15. Средство просмотра документов на Google Диске
  16. Живая история атомной отрасли | Машиностроение | Сергеев
  17. В ОАО «УЭХК» состоялся пуск блока газовых центрифуг девятого поколения
  18. 1 2 Патент US3289925 - ZIPPE ETAL CENTRIFUGAL SEPARATORS - Google Патенты. Проверено 16 февраля 2013.
  19. От первого лица — Интервью от 2003 года Др. Г.Циппе профессору Университета Вирджиния «Oб истории создания газовой центрифуги»http://isis-online.org/conferences/detail/gas-centrifuge-development-a-conversation-with-gernot-zippe/23
  20. G. ZIPPE, R. SCHEFFEL, M. STEENBECK, DT 1071593 (1957)
  21. Центрифуга для обогащения урана
  22. История американских центрифуг
  23. Программа «Американская центрифуга»
  24. Ядерные технологии в Пакистане
  25. ОЦЕНКА ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ ПО ОБОГАЩЕНИЮ УРАНА В ИНДИИ (M.V. Ramana, An Estimate of India’s Uranium Enrichment Capacity // Science and Global Security, 2004, Volume 12, pp. 115—124)
  26. ChinaPRO – Деловой журнал про Китай: новости Китая, экономика Китая, бизнес с Китаем, выставки в Китае, доставка из Китая, товары из Китая, поставки из Китая, производство в К …. Проверено 22 февраля 2013. Архивировано из первоисточника 13 марта 2013.
  27. Iran to launch nuclear work in bunker in near future | Reuters 8.01.2012
  28. Ошибка в сносках?: Неверный тег <ref>; для сносок wna11_13 не указан текст