Ядерный волчок

Ядерный волчок


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.
Ядерный волчок


Да, забыл представить: 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 (на фото) непосредственно переходит из твердого состояния в газообразное). Затем его закачивают в специальные емкости и отправляют на обогащение.
Ядерный волчок


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».
Ниже приведен документ - доклад Берии Сталину о подготовке первого атомного взрыва. Внизу дана небольшая справка о наработанных ядерных материалах к началу лета 1949-го года.
Ядерный волчок


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.
Ядерный волчок


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 (на фото) в Уральский электрохимический комбинат – крупнейшее в мире разделительное производство.
Ядерный волчок


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.
Ядерный волчок



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
Ядерный волчок


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» (на фото).
Ядерный волчок


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.
Ядерный волчок



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.
Ядерный волчок


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.
Ядерный волчок


Это я все к чему: 28 сентября 1942 г. было принято постановление Государственного Комитета Обороны № 2352сс «Об организации работ по урану». Эта дата считается официальным началом отсчета истории атомной отрасли России. Так что, с праздником, атомщики!
Автор: zzaharr
Первоисточник: http://zzaharr.livejournal.com/16203.html


Мнение редакции "Военного обозрения" может не совпадать с точкой зрения авторов публикаций

CtrlEnter
Если вы заметили ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter
Читайте также
Загрузка...
Комментарии 20
  1. neri73-r 11 октября 2012 09:56
    Спасибо, очень интересная статья, я много узнал, что хотел и не мог найти.
    1. dimanf 11 октября 2012 11:18
      Цитата: neri73-r

      Спасибо, очень интересная статья, я много узнал, что хотел и не мог найти


      наконец то здесь появилась познавательная статья.
      переполняет гордость за СОВЕТСКИЙ СОЮЗ.
      dimanf
      1. crazyrom 11 октября 2012 19:13
        Я так и подумал что всем понравится, поэтому и принёс статью сюда. В конце статьи есть адрес на блог автора, можете его поблагодарить :)

        А саму статью я нашёл на отличном сайте aftershock.su там ещё много интересный статей есть!
  2. Tirpitz 11 октября 2012 09:57
    Мега статья. Безумно интересно и познавательно. Автору плюсище огромнейший. Все таки могут, когда хотят.
    Tirpitz
  3. neri73-r 11 октября 2012 10:03
    Если бы эту статью опубликовали в 70-х, автор бы сидел!
    1. atamura 11 октября 2012 12:05
      Его бы в живых не было уже))
      atamura
    2. s500 22 февраля 2013 16:28
      И нетолько автор но ите кто продовал в штаты bully
  4. Lazer 11 октября 2012 10:10
    Довелось десять лет отработать в этой отрасли. Статья очень интересная, один из этапов производства.... Там, ещё много интересного происходит до центрифуг и после.
  5. fantast 11 октября 2012 10:15
    Автору огромное спасибо за очень интересную и познавательностью статью.
  6. borisst64 11 октября 2012 10:59
    Отмечу наличие сносок на английские слова в докладной Берии, явно информация получена из Штатов. Впечатляет количество центрифуг, сотни тысяч - это круто. Интересно посмотреть на оборудование и токарей которые их изготавливают.
    Ну а историю про перенос вращающейся центрифуги прямым путем в учебник по физике, раздел гироскоп.
    Тут интересный вопрос- какую нагрузку на здание дают сотни тысяч гироскопов-центрифуг.
    borisst64
    1. вакса 11 октября 2012 15:16
      Гы. А они до сих пор переводят с русского.
  7. savoj 11 октября 2012 11:59
    Cпасибо за инфо.
  8. Zakon 11 октября 2012 11:59
    Я бы очень хотел чтобы у нас в России возродили этот забытый "дух советского учёного" для которого не существовало невыполнимых задач, советские люди того времени действительно были учёными и инженерами с большой буквы, я преклоняюсь перед Вами и если бы не было Ваших открытий, то неизвестно что было бы с нами со всеми! Виват!
    Zakon
  9. hohryakov066 11 октября 2012 13:20
    Приятно посмотреть на родное производство. Статья информативная. Вышеупомянутые центрифуги изготавливаются на обычном оборудовании. Применяются обрабатывающие центры с ЧПУ. Другое дело, что по сравнению с обычным механическим производством очень жесткие требования по допускам и чистоте обрабатываемых поверхностей. В середине 80-х довелось приложить руки к крышке центрифуги - переносил техпроцесс с обычного мех.участка на ЧПУ. Сегодня же РОСАТОМ заинтересован только в извлечении прибыли любой ценой и ради этого всемерно сокращает персонал, избавляется от всех обслуживающих производств и т.д. В городе прошла первая забастовка. Берия и Кикоин в гробу бы перевернулись, узнав, что творят птенцы Кириенко! http://novouralsk.su/News/news_business/themes/1585, http://novouralsk.su
    /News/news_politic/themes/1569, Для интересующихся даю ссылочки .
  10. бубен 2012 11 октября 2012 18:19
    не знаю как относиться к тому что мы переработали 500 т нашего оружейного урана для американцев или у нас его завались ?
    1. Pashhenko Nikolay 11 октября 2012 18:58
      В боеголовках уран давно не используют.У плутония критическая масса гораздо меньше и потому его удобнее использовать как для обычного ядерного взрыва,так и для инициации термоядерного.
  11. Сириус 11 октября 2012 19:16
    Статья потрясающая!!!
    Сириус
  12. GrandMASTER 13 октября 2012 23:33
    Почерпнул для себя много нового. По крайней мере буду знать, чем 235-ый от 238-го отличается
    GrandMASTER
  13. Venganza 30 октября 2012 20:38
    Нет слов, нет слов!
    Venganza
  14. KRAVEN333 31 октября 2012 18:08
    Космос,военное производство и атомная отрасль.Кроме космоса, гордиться особенно не чем.
    KRAVEN333
  15. Алекс 29 декабря 2013 15:47
    Статья отличная, но есть одна существенная ошибка.
    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.

    Диффузионный метод разделения изотопов основан не на разнице в размерах атомов урана - она вообще отсутствует, так как нейтроны входят в состав ядра, которое составляет от 0,01 до 0,1 процента общего радиуса атома.
    Диффузия - процесс самопроизвольного проникновения атомов/молекул вещества в окружающее пространство. Для атомов/молекул, находящихся в газообразном состоянии (межмолекулярные расстояния в газовой фазе в 2000 раз превосходят размеры самих молекул) величина диффузии определяется только массой атомов/молекул и температурой газа (при прочих равных условиях). Разделение молекул ГФУ происходит за счет разницы в скоростях, которые определяются соотношением (уравнение молекулярно-кинетической теории):
    ,
    где Т - абсолютная температура
    М - молекулярная масса.
    Наличие разнообразных внешних факторов (мембраны, пластины с отверстиями малого диаметра и т.д.) может усугублять это разлиие в скоростях, что повышает коеффициент распределения.

    Прошу прощения, с картинками что-то еще не освоился.
  16. Al_lexx 23 января 2014 20:47
    Огромное спасибо. Давно слышал, что уран обогащают в центрифугах, но мне всегда казалось, что это довольно крупные устройства. Ну, т.е. на несколько порядков больше, чем на фотографиях. Просто поражен увиденным.
  17. silberwolf88 7 мая 2014 14:58
    Хорошая познавательная статья.
    Особенно приятно когда понимаешь сколько научных мыслей нашли своё применение ... построено высокотехнологичное производство ... востребованы кадры с хорошей инженерной подготовкой.

Информация

Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.
Картина дня