Cdtrjyty

Каскад газовых центрифуг на заводе в Пайктон, штат Огайо, 1984 год

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 ядерной энергетики и ядерного оружия. 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 |

Внешние видеофайлы
	Газоцентрифужный завод, Новоуральск

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). Огромная скорость вращения ротора, составляющая 90 тыс. оборотов в минуту, породила новую проблему — текучесть металла. Эту проблему решила группа специалистов под руководством Иосифа Фридляндера, создавшая новый сплав В96ц.^[14][15][16]

В 1955-1957 годах на Кировском заводе изготовили первые партии опытных центрифуг. 4.11.1957 года на УЭХК был пущен первый опытный завод центрифужного разделения изотопов. 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 |

Устройство газовой центрифуги. Стрелочками показано движение газа в рамках термодиффузионного механизма разделения.

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: около 1 метра у российских подкритических газовых центрифуг, до 7-12 метров у URENCO и США^[21]; диаметр), 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 уменьшения стоимости газоцентрифужной технологии с использованием каскадов газовых центрифуг.

Современное состояние газоцентрифужной технологии |

В настоящее время^{[когда?]} в мире имеется 3 основных фирмы, занимающиеся обогащением урана.

• 
  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 начал 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, получила лицензии, однако приступить к постройке полноценного производства не смогла.

В настоящее время^{[когда?]} 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. США испытывают сильные трудности с освоением технологии газовой центрифуги. В феврале 2017 года объявлено, что газоцентрифужный завод в Пайктоне, штат Огайо (США) прекращает работу. Раньше прекратили производство заводы в Падьюке, штат Кентукки (2013) и в Портсмуте, штат Огайо (2001)[1]
  

Газоцентрифужные технологии в других странах |

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

Пакистан |

Контрабандным путём эта технология была доставлена в Пакистан, бывшим сотрудником фирмы URENCO пакистанского происхождения Абдул Кадир Хана.^[24]

Индия |

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 ещё 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 |

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

Иран |

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 года.

Производство обогащенного урана в мире |

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 с прогнозом развития.

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

Литература |

	Газовая центрифуга на Викискладе

• 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 |

Для улучшения этой статьи желательно: Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии. Найти и оформить в виде сносок ссылки на независимые авторитетные источники, подтверждающие написанное.