ИЗОТОПОВ РАЗДЕЛЕНИЕ

ИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ

Авторы: Л. B. Инжечик

ИЗОТО́ПОВ РАЗДЕЛЕ́НИЕ, уве­ли­че­ние или умень­ше­ние со­дер­жа­ния (обо­га­ще­ние или обед­не­ние) оп­ре­де­лён­но­го изо­то­па в сме­си не­сколь­ких изо­то­пов. И. р. ос­но­ва­но на раз­ли­чи­ях фи­зич. и хи­мич. cвойств изо­то­пов и их со­еди­не­ний. Раз­ви­тие ме­то­дов И. р.

обу­слов­ле­но гл. обр. раз­ви­ти­ем ядер­ной энер­ге­ти­ки, для ко­то­рой тре­бо­вал­ся уран, обо­га­щён­ный по изо­то­пу $\ce{{235}U}$. В свою оче­редь, ос­вое­ние И. р. от­кры­ло воз­мож­но­сти для дру­гих мно­го­числ.

при­ме­не­ний изо­то­пов в фи­зи­ке, хи­мии, био­ло­гии и тех­ни­ке.

И. р. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ко­эф. раз­де­ле­ния $α$, ко­то­рый в про­стей­шем слу­чае би­нар­ной сме­си оп­ре­де­ля­ет­ся как $α=\frac{C_1/(1-C_1)}{C_0/(1-C_0)}$

, где $C_0$ – кон­цен­тра­ция од­но­го из изо­то­пов в ис­ход­ном ве­ще­стве, $C_1$ – его кон­цен­тра­ция в од­ном из вы­ход­ных про­дук­тов. Для изо­топ­но­го обо­га­ще­ния важ­ной ха­рак­те­ри­сти­кой яв­ля­ет­ся ко­эф. ис­поль­зо­ва­ния сы­рья, или ко­эф.

из­вле­че­ния, ко­то­рый обо­зна­ча­ет до­лю це­ле­во­го изо­то­па, по­па­даю­ще­го из сы­рья в обо­га­щён­ную фрак­цию. В ка­чест­ве ме­ры уси­лий, за­тра­чи­вае­мых на раз­де­ле­ние дан­но­го ко­ли­че­ст­ва ма­те­риа­ла ис­ход­но­го изо­топ­но­го со­ста­ва на две фрак­ции с разл.

изо­топ­ны­ми со­ста­ва­ми, ис­поль­зу­ет­ся еди­ни­ца ра­бо­ты раз­де­ле­ния ЕРР (Separative Work Unit – SWU), имею­щая раз­мер­ность ки­ло­грам­ма.

Ра­бо­та раз­де­ле­ния в ЕРР оп­ре­де­ля­ет­ся по фор­му­ле: $$U=P(2C_p-1)\ln \left(\frac{C_p}{1-C_p}\right)+$$ $$+W(2C_w-1)\ln \left(\frac{C_w}{1-C_w}\right)-$$ $$-F(2C_p-1)\ln \left(\frac{C_f}{1-C_f}\right),$$

где $P,\, W,\, F$ – мас­сы обо­га­щён­но­го про­дук­та, обед­нён­но­го от­ва­ла и из­рас­хо­до­ван­но­го сы­рья со­от­вет­ст­вен­но, $C_p,\, C_w\, и\, C_f$ – кон­цен­тра­ции изо­то­па в про­дук­те, от­ва­ле и сы­рье со­от­вет­ст­вен­но.

Для И. р. при­ме­ня­ют сле­дую­щие груп­пы ме­то­дов: элек­тро­маг­нит­ные (вклю­чая плаз­мен­ные), га­зо­ди­на­мич., фи­зи­ко-хи­мич. и оп­тич. (гл. обр. ла­зер­ные). Элек­тро­маг­нит­ные и оп­тич.

ме­то­ды по­зво­ля­ют в од­но­крат­ном про­цес­се с по­мо­щью еди­нич­но­го раз­де­ли­тель­но­го уст­рой­ст­ва – се­па­ра­то­ра – по­лу­чать вы­со­кий ко­эф. раз­де­ле­ния $α$, дос­ти­гаю­щий не­сколь­ких ты­сяч. Для га­зо­ди­на­мич. и фи­зи­ко-хи­мич. ме­то­дов И. р.

ха­рак­тер­ны низ­кие ко­эф. раз­де­ле­ния в од­но­крат­ном про­цес­се: $α-1≪1$, по­это­му в этих ме­то­дах для дос­ти­же­ния за­мет­но­го изо­топ­но­го обо­га­ще­ния про­цесс мно­го­крат­но по­вто­ря­ет­ся, для че­го боль­шое ко­ли­че­ст­во га­зо­ди­на­мич.

се­па­ра­то­ров объ­е­ди­ня­ют в кас­ка­ды, а фи­зи­ко-хи­мич. про­цес­сы осу­ще­ст­в­ля­ют в мно­го­сту­пен­ча­тых ко­лон­нах.

Электромагнитные методы

Пер­вый и при­ме­няе­мый до сих пор элек­тро­маг­нит­ный ме­тод И. р. ис­поль­зу­ет прин­цип ра­бо­ты масс-спек­тро­мет­ра, ос­но­ван­ный на раз­ли­чии тра­ек­то­рий дви­же­ния в маг­нит­ном по­ле ус­ко­рен­ных ио­нов оди­на­ко­во­го за­ря­да, но разл. мас­сы.

Се­па­рато­ры масс-спек­тро­мет­рич. ти­па мо­гут раз­де­лять изо­то­пы лю­бых эле­мен­тов и ха­рак­те­ри­зу­ют­ся вы­со­ким ко­эф. раз­де­ле­ния. Их не­дос­тат­ка­ми яв­ля­ют­ся низ­кая про­из­во­ди­тель­ность (де­сят­ки грам­мов в год), низ­кий ко­эф.

из­вле­че­ния це­ле­во­го изо­то­па (не бо­лее еди­ниц про­цен­тов) и вы­со­кое удель­ное энер­го­по­треб­ле­ние, что оп­ре­де­ля­ет вы­со­кую стои­мость изо­то­пов, по­лу­чен­ных этим ме­то­дом. Од­на­ко су­ще­ст­ву­ют эле­мен­ты, изо­то­пы ко­то­рых не раз­де­ля­ют­ся др. ме­то­да­ми, напр.

боль­шин­ст­во ред­ко­зе­мель­ных и бла­го­род­ных ме­тал­лов.

К элек­тро­маг­нит­ной груп­пе ме­то­дов И. р. от­но­сят так­же плаз­мен­ные ме­то­ды и пре­ж­де все­го ме­тод ион-цик­ло­трон­но­го ре­зо­нан­са (ИЦР-ме­тод). Он ос­но­ван на из­ме­не­нии тра­ек­то­рии ио­нов, дви­жу­щих­ся в по­то­ке плаз­мы вдоль маг­нит­ного по­ля.

При об­лу­че­нии плаз­мы ра­дио­час­тот­ным элек­тро­маг­нит­ным по­лем ре­зо­нанс­ной (для ио­нов дан­ной мас­сы) час­то­ты эти ио­ны на­чи­на­ют дви­гать­ся по рас­кру­чи­ваю­щей­ся спи­ра­ли и мо­гут быть от­де­ле­ны от не­ре­зо­нанс­ных с по­мо­щью кол­лек­то­ра спец. фор­мы.

ИЦР-се­па­ра­тор обыч­но вклю­ча­ет в се­бя сверх­про­во­дя­щие маг­ни­ты и др. слож­ное обо­ру­до­вание. Как и масс-спек­тро­мет­ри­чес­кий, этот ме­тод раз­де­ле­ния при­ме­ним для лю­бых эле­мен­тов, ко­эф. из­вле­че­ния це­ле­во­го изо­то­па столь же ни­зок.

Од­на­ко ИЦР-ме­тод бо­лее про­из­во­ди­те­лен, чем масс-спек­тро­мет­ри­чес­кий, хо­тя дос­ти­жи­мые с его по­мо­щью ко­эф­фи­ци­ен­ты раз­де­ле­ния мень­ше.

Газодинамические методы

И. р. под­раз­де­ля­ют­ся на диф­фу­зи­он­ный и цен­тро­беж­ный. Для при­ме­не­ния этих ме­то­дов не­об­хо­ди­мо на­ли­чие га­зо­об­раз­но­го со­еди­не­ния эле­мен­та, изо­то­пы ко­то­ро­го нуж­но раз­де­лять.

В диф­фу­зи­он­ном ме­то­де ис­поль­зу­ет­ся раз­ли­чие ско­ро­сти га­зо­вой диф­фу­зии мо­ле­кул раз­ных масс сквозь по­рис­тую пе­ре­го­род­ку. Диф­фу­зи­он­ный про­цесс раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на стал ос­но­вой пер­во­го ин­ду­ст­ри­аль­но­го про­из-ва обо­га­щён­но­го $\ce{{235}U}$.

Для это­го ис­поль­зу­ет­ся га­зо­об­раз­ный гек­са­фто­рид ура­на $\ce{UF_6}$. Макс. ко­эф. раз­де­ле­ния при диф­фу­зии мо­ле­кул раз­ных масс $M_1$ и $M_2$ ра­вен: $α_{макс} =\sqrt{M_1/M_2}$. Для $\ce{{235}U}$ и $\ce{{238}U}$ $α = 1,0043$, тех­ни­че­ски дос­ти­жи­мый ко­эф. раз­де­ле­ния ещё мень­ше. Диф­фу­зи­он­ный ме­тод И.

 р. ха­рак­те­ри­зу­ет­ся вы­со­кой про­из­во­ди­тель­но­стью и удель­ным энер­го­по­треб­ле­ни­ем, зна­чи­тель­но мень­шим, чем у элек­тро­маг­нит­но­го.

В цен­тро­беж­ном ме­то­де И. р. га­зо­об­раз­ное ра­бо­чее ве­ще­ст­во, со­дер­жа­щее мо­ле­ку­лы разл. мас­сы, под­вер­га­ет­ся воз­дей­ст­вию по­ля цен­тро­беж­ных сил, воз­ни­каю­щих при по­во­ро­те струи га­за или при вра­ще­нии га­за. Бо­лее тя­жё­лые мо­ле­ку­лы кон­цен­три­ру­ют­ся у пе­ри­фе­рии цен­три­фу­ги, а лёг­кие – у оси. И. р.

с по­мо­щью га­зо­вых цен­три­фуг – наи­бо­лее эф­фек­тив­ный ме­тод для пром. раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на и мн. др. эле­мен­тов. Пер­вые раз­ра­бот­ки цен­три­фу­ги для пром. раз­де­ле­ния изо­то­пов ура­на бы­ли вы­пол­не­ны в СССР в кон. 1940-х гг. груп­пой сов. и нем. спе­циа­ли­стов.

Эти раз­ра­бот­ки ста­ли ос­но­вой для соз­да­ния в СССР пром-сти по обо­га­ще­нию ура­на.

Раз­де­ли­тель­ная спо­соб­ность еди­нич­ной цен­три­фу­ги мо­жет дос­ти­гать ве­ли­чи­ны от 12 ЕРР/год до 40 ЕРР/год в зави­си­мо­сти от кон­ст­рук­ции. Се­бе­стои­мость И. р. с по­мо­щью цен­три­фуг бо­лее чем на по­ря­док ни­же се­бе­стои­мо­сти диф­фу­зи­он­ной тех­но­ло­гии.

Физико-химические методы

ис­поль­зу­ют ма­лые раз­ли­чия фи­зи­ко-хи­мич. свойств ве­ществ – ле­ту­че­сти, ско­ро­сти хи­мич. ре­ак­ций и др., – ко­то­рые оп­ре­де­ля­ют­ся изо­топ­ным со­ста­вом мо­ле­кул. Наи­бо­лее эф­фек­тив­ны­ми про­цес­са­ми для этих ме­то­дов яв­ля­ют­ся рек­ти­фи­ка­ция и изо­топ­ный об­мен. Раз­де­ли­тель­ная спо­соб­ность фи­зи­ко-хи­мич.

ме­то­дов оп­ре­де­ля­ет­ся от­но­ше­ни­ем масс раз­де­ляе­мых мо­ле­кул, по­это­му они ис­поль­зу­ют­ся для пром. про­из­вод­ст­ва изо­то­пов эле­мен­тов ма­лых и сред­них масс: $\ce{H,\, B,\, C,\, N,\, O}$. Напр., ос­нов­ное ко­ли­че­ст­во тя­жё­лой во­ды $\ce{D_2O}$, про­из­ве­дён­ное в ми­ре, по­лу­че­но ме­то­дом изо­топ­но­го об­ме­на.

Про­из­во­ди­тель­ность пром. ус­та­но­вок дос­ти­га­ет 800 т тя­жё­лой во­ды в год. Для по­лу­че­ния про­дук­та с вы­со­ким изо­топ­ным обо­га­ще­ни­ем про­цесс мно­го­крат­но по­вто­ря­ют в раз­де­ли­тель­ных ко­лон­нах мно­го­мет­ро­вой вы­со­ты. При пром.

раз­де­ле­нии изо­то­пов лёг­ких эле­мен­тов та­кие ко­лон­ны ус­пеш­но кон­ку­ри­ру­ют с цен­три­фу­га­ми.

Оптические методы

ос­но­ва­ны на раз­ли­чи­ях оп­тич. спек­тров изо­то­пов или мо­ле­кул раз­но­го изо­топ­но­го со­ста­ва. Воз­дей­ст­вуя на изо­топ­ную смесь ре­зо­нанс­но на­стро­ен­ным ис­точ­ни­ком све­та, мож­но се­лек­тив­но воз­бу­ж­дать или ио­ни­зи­ро­вать ато­мы или мо­ле­ку­лы с оп­ре­де­лён­ным изо­то­пом и за­тем фи­зи­че­ски или хи­ми­че­ски их раз­де­лять. Оп­тич.

ме­то­ды под­раз­де­ля­ют­ся на две груп­пы: ато­мар­ные и мо­ле­ку­ляр­ные. Пер­вые ос­но­ва­ны на мно­го­фо­тон­ной се­лек­тив­ной ио­ни­за­ции ато­мов це­ле­во­го изо­то­па в по­то­ке ато­мар­но­го па­ра изо­топ­ной сме­си. Ио­ни­зо­ван­ные ато­мы из­вле­кае­мо­го изо­то­па от­кло­ня­ют­ся от пуч­ка ней­траль­ных ато­мов с по­мо­щью элек­трич.

по­ля и со­би­ра­ют­ся на от­дель­ный кол­лек­тор. В мо­леку­ляр­ных про­цес­сах И. р. се­лек­тив­но воз­бу­ж­дён­ные мо­ле­ку­лы всту­па­ют в хи­мич. ре­ак­цию и от­де­ля­ют­ся от не­воз­бу­ж­дён­ных мо­ле­кул хи­мич. ме­то­да­ми. Для раз­де­ле­ния изо­то­пов рту­ти фо­то­хи­мич. ме­то­дом мо­жет быть ис­поль­зо­ван свет мощ­ной ртут­ной лам­пы.

Для ос­таль­ных эле­мен­тов не­об­хо­ди­мы ла­зер­ные ис­точ­ни­ки све­та с бо­лее уз­кой ли­ни­ей и боль­шей спек­траль­ной плот­но­стью из­лу­че­ния. Ла­зер­ные ме­то­ды И. р. мо­гут быть эф­фек­тив­нее цен­тро­беж­ных при из­вле­че­нии из мно­го­ком­по­нент­ной изо­топ­ной сме­си изо­то­пов сред­них масс, напр.

для уда­ле­ния из об­лу­чён­но­го ядер­но­го то­п­ли­ва изо­то­пов $\ce{{232}U,\, {234}U\, и\, {236}U}$, ме­шаю­щих его вто­рич­но­му ис­поль­зо­ва­нию.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/2003186

Разделение изотопов урана. Чем отличается газовая центрифуга от молочного сепаратора

Вот этот невзрачный серый цилиндр и является ключевым звеном российской атомной индустрии. Выглядит, конечно, не слишком презентабельно, но стоит понять его назначение и взглянуть на технические характеристики, как начинаешь осознавать, почему секрет его создания и устройства государство охраняет как зеницу ока.

Перед вами газовая центрифуга для разделения изотопов урана ВТ-3Ф (n-го поколения). Принцип действия элементарный, как у молочного сепаратора, тяжелое под воздействием центробежной силы отделяется от легкого. Так в чем же её значимость и уникальность?

Для начала ответим на другой вопрос – а вообще, зачем разделять уран?

Природный уран, который прямо в земле лежит, представляет из себя коктейль из двух изотопов: урана-238 и урана-235 (и 0,0054 % U-234).

Уран-238 – это просто тяжелый, серого цвета металл. Из него можно сделать артиллерийский снаряд, ну или… брелок для ключей.

А вот, что можно сделать из урана-235? Ну, во-первых, атомную бомбу, во-вторых, топливо для АЭС.

И вот тут мы подходим к ключевому вопросу – как разделить эти два, практически идентичных атома, друг от друга? Нет, ну действительно, КАК?!

Кстати: Радиус ядра атома урана -1.5 10-8 см.
Для того, чтобы атомы урана можно было загнать в технологическую цепочку, его (уран) нужно превратить в газообразное состояние. Кипятить смысла нет, достаточно соединить уран с фтором и получить гексафторид урана ГФУ.

Технология его получения не очень сложная и затратная, а потому ГФУ получают прямо там, где этот уран и добывают. UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид  непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное).

Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

UF6 является единственным легколетучим соединением урана (при нагревании до 53°С гексафторид  непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.

Немного истории

В самом начале ядерной гонки, величайшими научными умами, как СССР, так и США, осваивалась идея диффузионного разделения – пропускать уран через сито. Маленький 235-й изотоп проскочит, а «толстый» 238-й застрянет. Причем изготовить сито с нано-отверстиями для советской промышленности в 1946-м году было не самой сложной задачей.

Из доклада Исаака Константиновича Кикоина на научно-технического совете при Совете Народных Комиссаров (приведен в сборнике рассекреченных материалах по атомному проекту СССР (Ред. Рябев)): В настоящее время мы научились делать сетки с отверстиями около 5/1 000 мм, т.е.

в 50 раз большими длины свободного пробега молекул при атмосферном давлении. Следовательно, давление газа, при котором разделение изотопов на таких сетках будет происходить, должно быть меньше 1/50 атмосферного давления. Практически мы предполагаем работать при давлении около 0,01 атмосферы, т.е. в условиях хорошего вакуума.

Расчет показывает, что для получения продукта, обогащенного до концентрации в 90 % легким изотопом (такая концентрация достаточна для получения взрывчатого вещества), нужно соединить в каскад около 2 000 таких ступеней. В проектируемой и частично изготовленной нами машине рассчитывается получить 75-100 г урана-235 в сутки.

Установка будет состоять приблизительно из 80-100 «колонн», в каждой из которых будет смонтировано 20-25 ступеней».

Доклад Берии Сталину о подготовке первого атомного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.

И вот теперь сами представьте – 2000 здоровенных установок, ради каких-то 100 грамм! Ну, а куда деваться-то, бомбы ведь нужны. И стали строить заводы, и не просто заводы, а целые города. И ладно только города, электричества эти диффузионные заводы требовали столько, что приходилось строить рядом отдельные электростанции.

На фото: первый в мире завод газодиффузионного обогащения урана К-25 в Ок-Ридже (США). Строительство обошлось в $500 млн. Протяженность U-образного здания около полумили.

В СССР Первая очередь Д-1 комбината №813 была рассчитана на суммарный выпуск 140 граммов 92-93 %-ного урана-235 в сутки на 2-х идентичных по мощности каскадах из 3100 ступеней разделения.

Под производство отводился недостроенный авиационный завод в поселке Верх-Нейвинск, что в 60 км от Свердловска.

Позже он превратился в Свердловск-44, а 813-й завод в Уральский электрохимический комбинат – крупнейшее в мире разделительное производство.

Уральский электрохимический комбинат – крупнейшее в мире разделительное производство.

И хотя технология диффузионного разделения, пусть и с большими технологическими трудностями, но была отлажена, идея освоения более экономичного центрифужного процесса не сходила с повестки дня. Ведь если удастся создать центрифугу, то энергопотребление сократится от 20 до 50 раз!

Как устроена центрифуга?

Устроена она более чем элементарно и похожа на старую стиральную машину, работающую в режиме «отжим/сушка». В герметичном кожухе находится вращающийся ротор. В этот ротор подается газ (UF6 ).

За счет центробежной силы, в сотни тысяч раз превышающей поле тяготения Земли, газ начинает разделяться на «тяжелую» и «легкую» фракции. Легкие и тяжелые молекулы начинают группироваться в разных зонах ротора, но не в центре и по периметру, а вверху и внизу.

Это возникает из-за конвекционных потоков – крышка ротора имеет подогрев и возникает противоток газа. Вверху и внизу цилиндра установлены две небольших трубочки – заборника. В нижнюю трубку попадает обедненная смесь, в верхнюю – смесь с большей концентрацией атомов 235U.

Эта смесь попадает в следующую центрифугу, и так далее, пока концентрация 235-го урана не достигнет нужного значения. Цепочка центрифуг называется каскад.

Как устроена центрифуга?

Технические особенности

Ну, во-первых, скорость вращения у современного поколения центрифуг достигает 2000 об/сек (тут даже не знаю с чем сравнить…в 10 раз быстрее, чем турбина в авиадвигателе)! И работает она без остановки ТРИ ДЕСЯТКА лет! Т.е. сейчас в каскадах вращаются центрифуги, включенные еще при Брежневе! СССР уже нет, а они все крутятся и крутятся.

Не трудно подсчитать, что за свой рабочий цикл ротор совершает 2 000 000 000 000 (два триллиона) оборотов. И какой подшипник это выдержит? Да никакой! Нет там подшипников. Сам ротор представляет из себя обыкновенный волчок, внизу у него прочная иголка, опирающаяся на корундовый подпятник, а верхний конец висит в вакууме, удерживаясь электромагнитным полем.

Иголка тоже непростая, сделанная из обычной проволоки для рояльных струн, она закалена очень хитрым способом (каким – ГТ). Нетрудно представить, что при такой бешеной скорости вращения, сама центрифуга должна быть не просто прочной, а сверхпрочной.

Вспоминает академик Иосиф Фридляндер: «Трижды вполне расстрелять могли.

Однажды, когда мы уже получили Ленинскую премию, случилась крупная авария, у центрифуги отлетела крышка. Куски разлетелись, разрушили другие центрифуги. Поднялось радиоактивное облако. Пришлось всю линию останавливать – километр установок! В Средмаше центрифугами командовал генерал Зверев, до атомного проекта он работал в ведомстве Берии.

Генерал на совещании сказал: “Положение критическое. Под угрозой оборона страны. Если мы быстро не выправим положение, для вас повторится 37-й год”. И сразу совещание закрыл. Придумали мы тогда совершенно новую технологию с полностью изотропной равномерной структурой крышек, но требовались очень сложные установки. С тех пор именно такие крышки и производятся.

Никаких неприятностей больше не было. В России 3 обогатительных завода, центрифуг – многие сотни тысяч.»

На фото: испытания первого поколения центрифуг.

Корпуса роторов тоже поначалу были металлические, пока на смену им не пришел… углепластик. Легкий и особопрочный на разрыв, он является идеальным материалом для вращающегося цилиндра.

Вспоминает Генеральный директор УЭХК (2009-2012) Александр Куркин: «Доходило до смешного.

Когда испытывали и проверяли новое, более «оборотистое» поколение центрифуг, один из сотрудников не стал дожидаться полной остановки ротора, отключил ее из каскада и решил перенести на руках на стенд.

Но вместо движения вперед, как не упирался, он с этим цилиндром в обнимку, стал двигаться назад. Так мы воочию убедились, что земля вращается, а гироскоп, это великая сила.»

Кто изобрел?

О, это загадка, погружённая в тайну и укутанная неизвестностью. Тут вам и немецкие плененные физики, ЦРУ, офицеры СМЕРШа и даже сбитый летчик-шпион Пауэрс. А вообще, принцип газовой центрифуги описан еще в конце 19-го века.

Ещё на заре Атомного проекта инженер Особого конструкторского бюро Кировского завода Виктор Сергеев предлагал центрифужный метод разделения, но сначала его идею коллеги не одобряли.

Параллельно над созданием разделительной центрифуги в специальном НИИ­-5 в Сухуми бились учёные из побеждённой Германии: доктор Макс Штеенбек, который при Гитлере работал ведущим инженером Siemens, и бывший механик «Люфтваффе», выпускник Венского университета Гернот Циппе. Всего в группу входило около 300 «вывезенных» физиков.

Вспоминает генеральный директор ЗАО «Центротех-СПб» ГК «Росатом» Алексей Калитеевский: «Наши специалисты пришли к выводу, что немецкая центрифуга абсолютно непригодна для промышленного производства. В аппарате Штеенбека не было системы передачи частично обогащённого продукта в следующую ступень.

Предлагалось охлаждать концы крышки и замораживать газ, а потом его разморозить, собрать и пустить в следующую центрифугу. То есть, схема неработоспособная. Однако в проекте было несколько очень интересных и необычных технических решений.

Эти «интересные и необычные решения» были соединены с результатами, полученными советскими учёными, в частности с предложениями Виктора Сергеева. Условно говоря, наша компактная центрифуга — на треть плод немецкой мысли, а на две трети — советской». Кстати, когда Сергеев приезжал в Абхазию и высказывал тем же Штеенбеку и Циппе свои мысли по поводу отбора урана, Штеенбек и Циппе отмахнулись от них, как от нереализуемых.

Итак, что же придумал Сергеев?

А предложение Сергеева заключалось в создании отборников газа в виде трубок Пито.

Но доктор Штеенбек, съевший зубы, как он считал, на этой теме, проявил категоричность: «Они станут тормозить поток, вызывать турбулентность, и никакого разделения не будет!» Спустя годы, работая над мемуарами, он об этом пожалеет: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила…».

Позже, оказавшись за пределами СССР, Штеенбек центрифугами больше не занимался. А вот Геронт Циппе перед отъездом в Германию имел возможность ознакомиться с опытным образцом центрифуги Сергеева и гениально простым принципом ее работы.

Оказавшись на Западе, «хитрый Циппе», как его нередко называли, запатентовал конструкцию центрифуги под своим именем (патент №1071597 от 1957 года, заявлен в 13 странах). В 1957 году, переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее, отдадим должное, «Русской центрифугой».

Кстати, русская инженерная мысль проявила себя и в многих других случаях. В качестве примера можно привести элементарный аварийный запорный клапан. Там нет датчиков, детектеров и электронных схем.

Там есть только самоварный краник, который своим лепестком касается станины каскада. Если что не так, и центрифуга меняет свое положение в пространстве, он просто поворачивается и закрывает входную магистраль.

Это как в анекдоте про американскую ручку и русский карандаш в космосе.

Переехав в США, Циппе построил там работающую установку, воспроизведя по памяти опытный образец Сергеева. И назвал ее «Русской центрифугой».

Наши дни

На этой неделе автор этих строк присутствовал на знаменательном событии – закрытии российского офиса наблюдателей министерства энергетики США по контракту ВОУ-НОУ.

Эта сделка (высокообогащенный уран – низкообогащенный уран) была, да и остается, крупнейшим соглашением в области ядерной энергетики между Россией и Америкой. По условиям контракта, российские атомщики переработали 500 тонн нашего оружейного (90%) урана в топливный (4%) ГФУ для американских АЭС. Доходы за 1993-2009 годы составили 8,8 млрд.

долларов США. Это стало логическим исходом технологического прорыва наших ядерщиков в области разделения изотопов, сделанного в послевоенные годы.

На фото: каскады газовых центрифуг в одном из цехов УЭХК. Здесь их около 100 000 шт.

Благодаря центрифугам мы получили тысячи тонн относительно дешевого, как военного, так и коммерческого продукта.

Атомная отрасль, одна из немногих оставшихся (военная авиация, космос), где Россия удерживает непререкаемое первенство.

Одних только зарубежных заказов на десять лет вперед (с 2013 года по 2022 год), портфель «Росатома» без учета контракта ВОУ-НОУ составляет 69,3 миллиарда долларов. В 2011 году он перевалил за 50 миллиардов.

На фото склад контейнеров с ГФУ на УЭХК.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: https://naukatehnika.com/gazovaya-centrifuga-dlya-razdeleniya-izotopov-urana.html

Разделение изотопов

Разделение изотопов — технологический процесс, в котором из материала, состоящего из смеси различных изотопов одного химического элемента, выделяются отдельные изотопы этого элемента.

 Разделение изотопов всегда сопряжено со значительными трудностями, так как  изотопы, представляющие собой мало отличающиеся по массе вариации одного элемента, химически ведут себя практически одинаково.

Но — скорость прохождения некоторых реакций отличается в зависимости от изотопа элемента, кроме того, можно использовать различие в их физических свойствах — например в массе.

Различия в поведении изотопов настолько малы, что за одну стадию разделения, вещество обогащается на сотые доли процента и повторять процесс разделения приходится снова и снова — огромное количество раз. На производительность подобной каскадной системы влияют две причины: степень обогащения на каждой из ступеней и потери искомого изотопа в отходном потоке.

Электромагнитное разделение

Метод электромагнитного разделения основан на различном действии магнитного поля на одинаково электрически заряженные частицы различной массы. Установки, называемые калютронами, являются огромными масс-спектрометрами. Ионы разделяемых веществ, двигаясь в сильном магнитном поле, закручиваются с радиусами, пропорциональными их массам и попадают в приемники, где и накапливаются.

Этот метод позволяет разделять любые комбинации изотопов, обладает очень высокой степенью разделения. Обычно достаточно двух проходов для получения степени обогащения выше 80 % из бедного вещества (с исходным содержанием желаемого изотопа менее 1 %).

Однако электромагнитное разделение плохо приспособлено для промышленного производства: большая часть веществ осаждается внутри калютрона, так что его приходится периодически останавливать на обслуживание. Остальные недостатки — большое энергопотребление, сложность и дороговизна технического обслуживания, низкая производительность.

Основная сфера применения метода — получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения.

Газовая диффузия

Этот метод использует различие в скоростях движения различных по массе молекул газа. Понятно, что он будет подходить только для веществ, находящихся в газообразном состоянии.

При различных скоростях движения молекул, если заставить их двигаться через тонкую трубочку, более быстрые и легкие из них обгонят более тяжелые. Для этого трубка должна быть настолько тонка, чтобы молекулы двигались по ней поодиночке.

Таким образом, ключевой момент здесь — изготовление пористых мембран для разделения. Они должны не допускать утечек, выдерживать избыточное давление.

Для некоторых легких элементов степень разделения может быть достаточно велика, но для урана — только 1.00429 (выходной поток каждой ступени обогащается в 1.00429 раза). Поэтому газодиффузионные обогатительные предприятия — циклопические по размерам, состоящие из тысяч ступеней обогащения.

Газовое центрифугирование

Впервые эта технология была разработана в Германии, во время второй мировой, но промышленно нигде не применялась до начала 50-х.

Если газообразную смесь изотопов пропускать через высокоскоростные центрифуги, то центробежная сила разделит более легкие или тяжелые частицы на слои, где их и можно будет собрать.

Большое преимущество центрифугирования состоит в зависимости коэффициента разделения от абсолютной разницы в массе, а не от отношения масс. Центрифуга одинаково хорошо работает и с легкими, и с тяжелыми элементами.

Степень разделения пропорциональна квадрату отношения скорости вращения к скорости молекул в газе. Отсюда очень желательно как можно быстрее раскрутить центрифугу. Типичные линейные скорости вращающихся роторов — 250—350 м/с, и более 600 м/с в усовершенствованных центрифугах.

Типичный коэффициент сепарации — 1.01 — 1.1. По сравнению с газодиффузионными установками этот метод имеет уменьшенное энергопотребление, большую легкость в наращивании мощности. В настоящее время газовое центрифугирование — основной промышленный метод разделения изотопов в России.

Производители стабильных изотопов: В контур ГК «Росатом» входят предприятия, осуществляющие промышленное производство изотопов средних и тяжелых масс, а также изотопов благородных газов.

Для промышленного разделения изотопов применяются электромагнитная и газо- центрифужная технологии. Эти технологии позволяют разделять изотопы практически всех элементов таблицы Менделеева.

В число предприятий ГК «Росатом», использующих указанные методы разделения изотопов входят следующие:

1. ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор» – 209 наименований (электромагнитный метод).
2. ОАО «Производственное объединение «Электрохимический завод» производит 95 наименований изотопов (газоцентрифужный метод).
3. ОАО «Сибирский химический комбинат» – 91 наименование изотопов (газоцентрифужный метод).
4. ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» – 24 наименования (газоцентрифужный метод)

Источник: http://www.isotop.ru/for_media/industrial_directory/separation_of_isotopes/

Лидеры атомной промышленности: диффузионный метод обогащение урана

Вопрос о технологиях обогащения урана берёт своё начало с Манхэттенского проекта.

То есть, он стоял изначально, так как атомную бомбу можно было произвести двумя способами: обогащением урана до нужных 90%, либо наработкой плутония, о чём я писал в цикле статей про быстрые реакторы. 

Для решения этой задачи перепробовали все имеющиеся на тот момент методы и их комбинации.

В результате, наиболее эффективным стал газодиффузионный метод с последующим обогащением урана электромагнитным методом. 

Принцип работы диффузионного метода основан на скорости прохождения сквозь специальную пористую мембрану молекул газообразного вещества.  Это вещество описано в первой части, им является гексафторид урана.

Напомню, это соединение изотопа фтора (F19) с изотопами урана-238 и урана-235, которое является единственным известным методом получения «газообразного урана».

Уран-235, ввиду особенности молекулярной массы, легче урана-238. Следовательно, гексафторид с изотопом урана-235 проходит через мембрану быстрее и легче, нежели гексафторид с изотопом урана-238.

После прохождения мембраны газ будет более обогащён лёгкими молекулами гексафторида с изотопом урана-235. То есть, произойдет увеличение концентрации урана-235.

В этом и есть суть диффузионного обогащение урана.  

Из-за того, что массы молекул гексафторида с ураном-235 и ураном-238 отличаются всего на 1,5%, а концентрация изначального гексафторида больше чем на 99% состоит из молекул с изотопами урана-238, производительность диффузионного метода чрезвычайно маленькая. Тем более, тут вступают в силу уже квантовые эффекты, когда через мембрану с определённой долей вероятности может пройти то, что по определению проходить через неё не должно, и наоборот – то, что должно проходить, может и не пройти… 

Разделение изотопов урана с помощью диффузии.

Следовательно, отдельная установка произведёт обогащение урана лишь на десятые доли процента, поэтому для эффективного обогащения урана до нужной концентрации тысячи газодиффузионных установок  объединяют между собой в каскад. Например, первый в СССР завод по газодиффузионному обогащению урана имел каскад из 3000 установок типа ОК-7. 

Макет машины ОК-7 1:50. Первая промышленная в СССР Газодиффузионная установка

Как видно из фото, подобная машина – немаленькая, с таким же немаленьким энергопотреблением. И это было только начало. Вводились в эксплуатацию новые заводы с новыми газодиффузионными машинами. Уже к 1953 году в СССР на Уральском электрохимическом комбинате работало 15 000 установок!

Каскад из тысяч газодиффузионных машин на комбинате УЭХК в Новоуральске

В 1950-е годы СССР расширил диффузионные мощности тремя заводами ( АЭХК, ЭХЗ, СХК), тем самым увеличив энергопотребление обогатительных комплексов до 3% от всей электроэнергии СССР!

Блок газодиффузионных машин на Уральском электрохимическом комбинате (УЭХК)

А согласно статистике всемирной ядерной ассоциации, в США для аналогичной задачи затрачивали 7% всего энергопотребления.

7% всей электроэнергии США!

Собственно, несмотря на все проблемы газодиффузионного метода обогащения, он стал основным методом промышленного разделения изотопов. В США было построено три завода.

Панорама газодиффузионного завода К-25 в Ок-Ридже , США. Завод Манхэттенского проекта.

В Англии в 1956 году был введён газодиффузионный завод в Кэйпенхёрсте; в Китае в 1960 году при помощи СССР заработал газодиффузионный завод вблизи города Ханчжоу;

С 1964 года — в Пьерлатте и Трикастене (Франция).

Элементы каскада французских диффузионных машинДиффузионная ступень французского завода в Трикастене

Но, хоть эта технология и была признана самой эффективной, изначально наряду с ней в США и СССР рассматривали возможность применения центрифужного метода разделения изотопов.

Сама идея центрифужного метода разделения изотопов урана принадлежит немецкому инженеру-изобретателю Фрицу Ланге, сбежавшему из нацистской Германии в СССР, австрийскому инженеру Герноту Циппе, которого Советский Союз взял в плен в 1945 году, и знаменитому немецкому физику Максу Штеенбеку, который создал в 1947 году первую газовую центрифугу для разделения изотопов урана. 

Они развивали это направление, активно сотрудничая с нашими специалистами. Дорабатывали и доводили до промышленной реализации технологию уже наши инженеры, в первую очередь Сергеев Виктор Иванович.

Сергеев Виктор Иванович создатель промышленной “Русской центрифуги”

Учёные США посчитали центрифугу слишком сложной и неэффективной, ни один из их опытных образцов не давал такой производительности, как диффузионный метод.

Поэтому данное направление в США посчитали неэффективным и отбросили, как тупиковый путь.

Надо понимать, что в СССР могла возникнуть точно такая же ситуация, ведь изначальная идея и её дальнейшее развитие принадлежит упомянутым немецким инженерам, которые активно сотрудничали с нашими специалистами. 

Но немецкие специалисты вернулись на родину, и в 1957 году СССР запустили экспериментальный участок с газовыми центрифугами, а уже в 1962 году – первый в мире газоцентрифужный обогатительный завод. 

Более подробно о газовых центрифугах и о вкладе наших инженеров в следующей статье. 

P. S. Ссылки на источники теперь находятся в группе !

Часть 3. Лидеры атомной промышленности: Центрифуга – начало

Источник: https://zen.yandex.ru/media/dbk/lidery-atomnoi-promyshlennosti-diffuzionnyi-metod-obogascenie-urana-5e23ff41e6e8ef00b2d886dc