Сага о Росатоме — 3. Мир вокруг «иглы»

Борис Марцинкевич
Главный редактор аналитического журнала «Геоэнергетика.ru»

Продолжение. Сага о Росатоме - 2 здесь.

Впрочем, можно назвать и несколько иначе — полцарства за «иглу». Угу-угу — я снова про то, что имеет страна-бензоколонка и как она живет без айфона... Только в этот раз вынужден заранее попросить прощения: много технических деталей, без разъяснения которых понять, что к чему, зачем и почему — не получится.

Что происходит внутри атомного реактора, если на пальцах?

Ядерная реакция — в реакторе созданы условия для того, чтобы ядра атомов урана успешно разваливались, без взрывов выделяя при этом энергию, которую мы научились использовать себе во благо.

Помните школьное: «В ядро атома попадает нейтрон, выбивает из него 2 нейтрона, те выбивают из следующих атомов еще по 2 нейтрона»? Ну, вот оно самое.

Но, как нам известно из политики — разваливается только то, что подспудно к развалу готово: есть атомы, которые после удара нейтрона разваливаются, но куда больше тех, которым такие удары глубоко по барабану, стучи ты в него или не стучи. БОльшая часть атомов урана именно так себя и ведет — не выколачиваются из него нейтроны, да и все тут.

Ядро атома урана состоит из 238 протонов и нейтронов, и им вместе «хорошо». В 30-е годы прошлого века Энрико Ферми разгонял на ускорителе нейтроны и обстреливал ими уран: хотел, чтобы ядра «приняли» эти нейтроны внутрь себя и получились химические элементы тяжелее, чем уран. Стрелял-стрелял, да что-то никакого толка от этого не было.

В 1939 году два немца — Отто Ган и Фриц Штрассман смогли понять, в чем проблема: часть атомов урана разваливается на куски, выпуливая еще и дополнительные нейтроны.

Почему я про Гана и Штрассмана вспомнил? Чтобы напомнить: именно Германия, уже ставшая гитлеровской, была ближе всех к созданию атомной бомбы. И это нам оказалось полезно — но уже после войны. А миру повезло с тем, что Гана больше интересовало, на что именно разваливаются атомы урана, а не то, как использовать «лишние» нейтроны. Этими «лишними» нейтронами занялись американцы, результат их трудов на себе почувствовали японцы в 1945-м году...

Так что такое с ураном-то? То он делится, то он не делится... БОльшая часть природного урана — 99,3% — это уран-238, в нем никакая цепная реакция не идет.

Но есть среди атомов урана и отщепенцы — уран-235, у которых в ядре на 3 частицы меньше. Вот эти «оппозиционеры», как и всегда, воду мутят и не дают спокойно жить. Прибывший нейтрон разваливает уран-235 на куски, при развале урана-235 и идет выделение той самой энергии, которая может и города в куски разрывать, и мирно греть воду, которая крутит турбины атомных электростанций.

Но, развалившись, уран-235 превращается в атомы других элементов, которые больше участия ни в каких таких полезных нам ядерных реакциях участвовать не желают. Развалился уран-235 один раз — и все, в дальнейшей игре он уже не участвует. Значит, чтобы реактор работал долго, урана-235 надо много. Как этого добиться? Ну, либо берем гору природного урана, либо добиваемся того, чтобы урана-235 в нем было не 0,7%, а больше.

Поэкспериментировали — выяснили, что если уран-235 в куске природного будет 5-7%, получится то, что надо: гореть будет спокойно, без взрывов, гореть будет достаточно долго, отдавая человеку нужную ему энергию. Поскольку человеки завсегда думают про деньги, процесс увеличения концентрации урана-235 в природном уране-238, они назвали «обогащением». Ну, так уж мы устроены.

Короче: хотите, чтобы уран был полезен для АЭС — обогащайте его. Хотите, чтобы уран взрывался в едрен-батонах — обогащайте его.

Тут и встал вопрос: а как этого добиться-то? Ну, вот лежит перед тобой кусок урана — как выкинуть из него лишние атомы-238 и оставить только атомы-235? Задачка...

Достаточно быстро удалось выяснить, что уран легко присоединяет к себе атомы фтора, превращаясь в кристалл, которому нужно всего 56 градусов тепла, чтобы стать газом. Если точнее — смесью газов. В одном из них атомы чуть крупнее и чуть тяжелее — это фтор с ураном-238. Второй газ состоит из атомов чуть поменьше и чуть полегче — фтор с ураном-235.

Ну — разделяй и властвуй!

Уран. Внешний вид простого вещества. Тяжёлый серебристо-белый глянцеватый металл.

Изначально физики прицепились к словам «больше — меньше». Ставим сетку, прогоняем через нее газ — уран-235 проскочил, уран-238 застрял, мы в дамках.

Собственно, проблемой разделения изотопов теоретически начал заниматься еще в начале 30-х сам Пауль Дирак — звезда первой величины в физике. Группа ученых под его руководством сделала расчеты и для изотопов урана, по которым получалась, что разделение при помощи центрифуг — антинаучная утопия.

Как происходит разделение при помощи центрифуги? Да по тому же принципу, по которому в сепараторе делают масло из молока. Берем ось, которая будет вращаться, вставляем в бочку, наливаем в нее молоко. Раскручиваем как следует ось — масло на оси, все, что легче — на стенках. Делов-то!

Вот только расчеты теоретиков показали: для того, чтобы легкие атомы урана-235 отделить от тяжелых атомов урана-238, ось центрифуги должна вращаться со скоростью не менее 1200 оборотов в... секунду.

Так не бывает — вот вердикт физиков. Нет таких моторов, никакой металл для оси не выдержит такую нагрузку, никакие подшипники не выдержат такой скорости, никакой материал для стенок не пройдет частоту резонанса (ось набирает скорость постепенно, и обязательно проходит так называемую «критическую частоту», совпадающую с частотой резонанса стенок центрифуги. Помните роту солдат на каменном мосту, шагающей нога в ногу, из-за чего мост просто разваливается?), не разлетевшись на куски.

«Безнадега!» — сказали большие физики. Yes! — ответили американцы и в «Манхэттенском проекте» стали заниматься исключительно сетками. Научное название метода — «диффузионное разделение»: газ ведь проходит сквозь сетку, а в физике такой процесс и называют диффузией.

Как работается с этими сеточками? Кропотливый труд: одна сетка отделяет 1,0002 так нужного атома урана-235. Чтобы добраться до нужных для АЭС 7% урана-235 нужно поставить друг за другом 1 500 сеток. Сама сетка — произведение инженерного искусства. Величина дырочек в ней — 0,000 01 мм, при этом сетка должна выдерживать температуру под 100 градусов, материал должен не бояться постоянной радиации.

И таких сеток нужны тысячи и тысячи. На функционирование каскадов этих сеток уходит прорва электроэнергии: даже после 50 лет усовершенствования этого метода на единицу разделения тратилось 2 500 кВт*ч.

Но результаты таких трудов и таких затрат того стоили — благодаря этим самым сеточкам американцы не только уничтожили Хиросиму и Нагасаки, но и могли строить планы ядерной бомбардировки городов СССР.

В СССР в декабре 1945 года работа по созданию диффузионных производств была поручена Исааку Константиновичу Кикоину. Один из плеяды блистательных советских ученых, ставший доктором физических наук в 27 лет, в годы войны Кикоин занимался, как и вся страна, спасением страны. За изобретение и и внедрение в производство магнитных взрывателей для противотанковых мин Кикоину в 1942 была присвоена Сталинская премия.

А чуть позже, 28 сентября 1942 настал день, который можно считать днем рождения атомного проекта в СССР. В этот день вышло постановление ГКО (государственного комитета обороны) № 2352с — «Об организации работ по урану».

Исаак Кикоин стал одним из первых, кого привлекли к этой работе, потому и в 1945 от предложения Лаврентия Павловича Берии возглавить 2-й отдел Лаборатории № 2 в Спецпроекте Исаак Константинович и не думал отказываться.

Времени с той секретной поры прошло много, теперь даже можно «перевести на русский» задачу, которая была поставлена Кикоину. Тогда это звучало так: «Обеспечить строительство завода № 813 в Свердловске-44».

Что-нибудь понятно? Перевод: создать проект и обеспечить строительство завода газо-диффузионного обогащения урана в новом закрытом городе. Не в городке, а именно в городе — в советские времена населения там было 150 тысяч человек. Завод и сейчас работает, хотя давно уже перешел на центрифуги. Это — Уральский электрохомический комбинат в городе Новоуральске Свердловской области. Задание было успешно выполнено, свидетельством чему и стал взрыв в Семипалатинске нашей Бомбы № 1 уже в 1949 году.

Но Лаврентия Берия не был бы Берией, если бы не делал свою работу с «перезакладом».

Сеточки с диффузией — дело хорошее, но стоит ли сбрасывать со счетов центрифуги? Расчеты Дирака показали, что надо именно сбросить, но это всего-навсего Дирак, да и сказал он это не на допросе в НКВД...

Лаврентий Павлович прекрасно знал, что теоретические расчеты группы Дирака экспериментально пытались перепроверить в Германии. По этой причине лагеря военнопленных внимательно проверяли в поисках именно этих специалистов. В конце сентября 1945 в лагере в Познани сверхштатный сотрудник Ленинградского физтеха (да-да, именно так звучала эта должность) Лев Арцимович обнаружил бывшего сотрудника фирмы «Сименс» Макса Штеенбека. А собственно, где должен был находиться один из разработчиков кумулятивного заряда для фауст-патронов?

Жить бедолаге оставалось недолго — если бы не Арцимович. Для Льва Андреевича Штеенбек был не заурядным нацистом, а одним из ведущих специалистов в физике плазмы, автором двухтомного учебника для вузов.

В общем, Лев Андреевич предложил Штеенбеку, как это сейчас говорят, очень выгодный контракт — 10 лет поработать гастарбайтером в СССР, а тот и не отказался, причем совершенно добровольно. Удивительно, правда? Безработица в послевоенной Германии — и только она! — помогла группе сверхштатных сотрудников всяческих советских научных институтов набрать еще около 7000 таких же добровольцев. Правда, все они в своих мемуарах называли этих самых сверхштатных сотрудников исключительно «офицерами НКВД», но это все, конечно, какое-то массовое заблуждение.

300 человек из них решили, что им очень хочется работать в городе Сухуми, где в 1951 году и был создан широко известный в узких кругах Сухумский физико-технический институт. Возглавил его, само собой, очень уважаемый в научных кругах специалист — генерал НКВД Кочлавашвили.

И я не ёрничаю ни разу: уважали его немецкие ученые, даже очень уважали. Попробовали бы не уважать — были бы гастарбайтерами не 10 лет, а все 20...

Макс Штеенбек

Группе Макса Штеенбека было поручено перепроверить возможность обогащения урана при помощи центрифуг. Штеенбек собрал всех, кто мог быть полезен — около 100 человек, в числе которых оказался и инженер Гернот Циппе. Инженерил он при Гитлере по поводу радаров и совершенствования самолетных пропеллеров, вот и испытал в 1945 году неимоверную тягу поработать в СССР годиков так с десяток. Бывает...

Работали немцы старательно, дисциплинированно и достаточно результативно. Но мы ведь помним, кто руководил Спецкомитетом? Мог этот замечательный человек доверять этим славным людям безоговорочно? Ответ очевиден.

Поэтому рядом с немцами появился еще один инженер (а не соглядатай, как некоторые могли подумать) — Виктор Иванович Сергеев. Этот молодой парень (1921 года рождения) перед войной учился на инженера в МВТУ.

Какие это были люди и какое было время... С начала июля 1941 Виктор Сергеев — доброволец Бауманской дивизии народного ополчения Москвы. Уцелел, выжил. С января 1943 участия в боях больше не принимал, поскольку получил совсем другое задание: ему было поручено изучать и находить самые слабые места в конструкциях «Тигров», «Пантер» и прочих «Фердинандов».

К концу войны Виктор Сергеев прекрасно разбирался в том, как работает немецкая инженерная школа и — где чаще всего допускает ошибки. Так что рядом с Штеенбеком он оказался совершенно не случайно. Умел Берия подбирать кадры — ой, как умел!..

Виктор Иванович Сергеев, Герой Социалистического Труда, наш секретный Инженер с большой буквы, оказался в нужное время в нужном месте. Чертовски хочется дожить до тех дней, когда имя Виктора Сергеева будет знать и помнить вся Россия!

Штеенбек решил проблему подшипника — его стараниями этот узел вообще исчез из конструкции центрифуги. Нижняя часть оси опирается на иглу, которая стоит на подложке из очень твердого сплава.

Пока немцы экспериментировали с этим сплавом, пришел Сергеев и все упростил: немцы просто не были в курсе, что в Армении еще до войны научились выращивать искусственный корунд — второй по твердости минерал после алмаза.

С такой же душевной простотой был решен и вопрос с материалом самой иглы. Центрифуги в России продолжает выпускать Владимирский завод «Точмаш». Заводу много лет: основан он был в 1933 году, и назывался он тогда... Владимирский граммзавод. Выпускал самую что ни на есть мирную продукцию — патефоны и хромированные иголки к ним. Замечательные иголки, просто вот лучшие в мире.

Немцы про этот завод были, как водится, не в курсе, а вот 30-летний парень Виктор Сергеев не иначе, как любил послушать патефон. Догадаться, что чуть ли не самый мирный завод может быть полезен для атомного проекта — это надо действительно обладать не шаблонным мышлением.

Советская инженерная школа обеспечивала немалый кругозор...

Не думаю, что у Сергеева сложились хорошие отношения с группой Штеенбека: немцы прекрасно понимали, что этот человек занят поиском их ошибок и недочетов. Найди он их в слишком большом количестве — и контракт на гастарбайтерство в СССР мог быть продлен автоматически...

Ну, а уж сам герр Штеенбек, ученый с мировым именем, к крестьянскому сыну точно никакого пиетета не испытывал. В 1952 группу Штеенбека перевели в Ленинград, в конструкторское бюро Кировского завода, и это стало решающим моментом в истории «Советской иглы».

Позволю себе последнюю техническую подробность, поскольку она остается главной во всей работе по обогащению урана.

Газ с ураном — это ведь не молоко со сметаной, правда? Если кто-то сбивал масло в домашних условиях, то помнит, как все заканчивается: центрифугу надо остановить, ось вытащить и счистить с нее масло, а все прочее — слить в канализацию.

Так то — масло, а тут — уран с его радиацией. Да и не «прилипает» газ к оси — а разделить надо.

Сергеев предложил внутри центрифуги разместить так называемую трубку Пито, но Штеенбек поднял его на смех, поскольку никакая теория такого безобразия не допускала. Если ось вращается со скоростью 1500 оборотов в секунду — с такой же бешеной скоростью вращается и газ, а потому любое препятствие обязано вызвать всяческие турбулентности, из-за которой разделенный газ снова смешается в «общую кучу», и вся работа по разделению пойдет насмарку.

Виктор Иванович пытался спорить, но переубедить упрямого немца не смог и — просто махнул на него рукой. Каким таким макаром Сергеев сумел «воткнуть» в центрифугу свою трубку, почему никаких таких турбулентностей не появляется — сие тайна велика есть. Но и обращение к Исааку Кикоину ничего не изменило.

Группа Кикоина, без всякой связи с группой Штеенбека, разработала теорию обогащения на центрифуге — и точно так же уперлась в ту же самую турбулентность. Но Сергеев не успокоился и сумел найти двух человек, которые просто поверили в его разработку — директора конструкторского бюро Кировского завода Николая Синева и одного их руководителей Средмаша генерала-маойра НКВД/КГБ Александра Зверева.

На дворе стоял уже 1955 год, из жизни ушли Сталин и Берия, Спецкомитет стал «министерством среднего машиностроения», но «атомный генерал» Александр Дмитриевич Зверев остался в атомном проекте вплоть до своей смерти прямо на рабочем месте в 1986 году. Бывший профессиональный контрразведчик стал профессиональным атомщиком, с формулировкой «за заслуги перед атомной отраслью» в 1962 получил звание Героя соцтруда.

О Звереве вообще можно книги писать, но давайте остановимся на том, что уже после истории с Виктором Сергеевым именно Александр Дмитриевич был руководителем государственной приемной комиссии по запуску нашего первого реактора на быстрых нейтронах — БН-350.

Вот такие были люди в ведомстве Берии...

При центрифужном методе разделения за счет высокой скорости вращения создается центробежная сила, превышающая силу тяготения Земли в сотни тысяч раз. За счет этого более тяжелые молекулы гексафторида урана-238 «сбиваются» на периферии вращающегося цилиндра, а более легкие молекулы гексафторида урана-235 концентрируются возле оси ротора. Через раздельные выводные трубопроводы (типа трубок Пито, о которых говорил Сергеев Штеенбеку) газ, содержащий изотопы U-238, выводится «в отвал», а обогащенная фракция с возросшим содержанием урана-235 перетекает в следующую центрифугу. Каскад таких центрифуг, содержащий сотни и тысячи машин, позволяет быстро увеличивать содержание легкого изотопа. Условно говоря, их можно назвать сепараторами, на которых превращенное в газ урановое сырье (гексафторид урана, UF6) с низким содержанием изотопа U-235 последовательно переводят из консистенции парного молока в сливки и сметану. При необходимости могут и «масло» сбить — довести обогащение до 45−60%, чтобы использовать в качестве топлива в реакторах подлодок и на исследовательских установках. А еще недавно крутили центрифуги до тех пор, пока не получали на выходе дорогущий «сыр» — оружейный уран с обогащением более 90%. Но к концу 1980-х на четырех советских комбинатах «насепарировали» столько оружейного урана, что его запасы были признаны избыточными, и производство высокообогащенного урана для военных целей было прекращено.

При поддержке Николая Синева и Александра Зверева Сергеев «продавил» через ... партком конструкторского бюро Кировского разрешение на создание первой центрифуги. Но в одиночку он бы точно не справился, а потому усилиями все того же Зверева к работе был привлечен Иосиф Фридляндер.

Это имя многое говорит специалистам авиастроения: из сплавов, разработанных Фридляндером, создавались и создаются корпуса и всяческие узлы Ту-16, Ту-95, Ил-86, Ил-96, МиГ-23, Су-30, Су-35, баки «Протона».

Корпуса центрифуг первого поколения — это его заслуга. Корпуса, которые выдерживали давление, температуру, излучение. Поскольку в моем распоряжении только открытые источники, все, что я могу сказать про этот материал — так только то, что называется он «алюминиевый сплав 1960», он же — «сплав В96ц».

Вот такая славная компания создала опытные образцы центрифуг, которые успешно прошли все испытания, и уже в 1958 году Владимирский граммзавод стал «Точмашем». Известны и слова Исаака Кикоина, видевшего, как все это происходило: «Да сделайте вы так, чтобы они работали, а теорию мы подгоним!» И подогнал, само собой. В 1953 году он стал академиком АН СССР — именно за теорию обогащения урана.

Таким было начало истории «иглы» — рождение и становление получились достаточно бурными, но это было только начало.

От себя прошу попробовать запомнить имена тех, без кого атомный проект в его нынешнем виде был бы попросту невозможен. Кикоин, Штеенбек, Сергеев, Зверев, Фридляндер — каждый из них достоин памяти и уважения.

Почти 60 лет назад их умом, настойчивостью страна-бензоколонка обрела технологию, позволившую обогнать производителей айфонов на десятки лет.

«Игла» в СССР и в России

Первый завод по обогащению урана на центрифужной технологии был построен в Новоуральске 4 октября 1957 года.

Да-да, именно в тот день, когда весь мир узнал русское слово «Спутник». Вот про него знали все, а про начало новой эпохи в атомном проекте не только СССР, но и всего прочего мира — только те, кто имел к этому событию непосредственное отношение.

Не стоит забывать, что у урана две ипостаси: он и топливо АЭС, и основа самого страшного оружия. Сравнивая работу по разделению урана при помощи диффузии и при помощи центрифуг самого первого поколения, Средмаш уже все понял: на одинаковый объем урана-235 центрифуги требовали электроэнергии в... 17 раз меньше, чем «сеточки». Соответственно диффузионный завод Д-1 был реорганизован в то, что нынче известно, как Уральский электрохимический комбинат.

Гарантии на первое поколение центрифуг были недолгими — три года. Первый блин, впрочем, комом не оказался — они проработали больше 10 лет, поскольку по ходу эксплуатации выяснилось, что самая большая страшилка центрифугам вовсе не грозит.

А боялись... сейсмических колебаний. Ка-а-ак тряхнет, как коснется бешено вращающаяся «игла» неподвижной стенки, ка-а-ак разнесет все на куски!!!

Но выяснилось, что вращающаяся «игла» к колебаниям устойчива так же, как устойчив гироскоп при стабильной скорости вращения. И теперь «бочоночки» центрифуг высотой меньше метра стоят в три яруса и крутятся, крутятся, крутятся...

Я вот пишу — 1500 оборотов в секунду, даже не комментируя, а давайте попробуем представить, что это такое. Стиральные машины с пылесосами у всех есть — гляньте, сколько у них оборотов. 1200—1500 в минуту. Сколько времени они при таких оборотах могут работать — несколько часов? А «игла» центрифуги — в 60 раз быстрее и 30 лет без единой остановки.

Поломки? Да, имеют место быть — 0,1% в год, такова статистика. Из тысячи центрифуг 1 за год может аварийно отключиться. Подшипников нет, «гореть» нечему. Поколения центрифуг обновлялись, в среднем, раз в 8 лет. Немножко увеличивалась скорость вращения, немножко улучшался материал корпуса и т.д.

Эти «немножко» за минувшие годы снизили энергозатраты на единицу работы разделения в 10 раз, а вот производительность центрифуг — выросла, причем в 14 раз. «Уходят» поколения центрифуг неторопливо: в 2009 году, к примеру, выключили центрифуги пятого поколения, которые были раскручены в 1979 году — при Леониде Ильиче Брежневе.

Грустно — не растет ВВП, не работает «Точмаш» в три смены... А что взять с ватников? Сделали «бочонки» и давай водку с медведем пить...

Ну а если без анекдотов, то Виктор Сергеев, отладив работу центрифуг для урана, и не думал сидеть, сложа руки. Под его руководством созданы центрифуги для разделения изотопов самых разных химических элементов, Виктор Иванович продолжал работу до своего ухода в 2008 году. Люди этого поколения и этой закалки с работы уходили тогда же, когда и в мир иной...

Итоги вращения советско/российской «иглы» ежегодно подводит МАГАТЭ.

Мировая мощность заводов по обогащению урана в 2015 году составила 57 073 тысячи единиц работы разделения. Мощность заводов компании ТВЭЛ — 26 578. 46,6% мировых мощностей.

Впрочем, можно учесть еще и Китай, в котором обогащение идет на советских центрифугах шестого поколения — 4 220 тысяч ЕРР. Тогда российская доля производства топлива для АЭС получается 54%. Такая вот арифметика.

И напоследок — снова о Викторе Сергееве. Росатом продал Китаю завод по обогащению: в 2008 году в Шэньси за 1 миллиард долларов поставили каскады центрифуг 6-го поколения.

Как китайцы умеют копировать технологии — известно: что угодно, быстро и дешевле оригинала. Российские центрифуги разобрали до последнего винтика — но вот на дворе уже 2016-й, а никакой информации о том, что китайцы справились с копированием технологии их изготовления, по прежнему нет.

А в России Росатом в 2015 году запустил центрифуги 9-го поколения, после чего настало время для НИОКР поколения №10.

Пуск второго блока центрифуг 9-го поколения для обогащения урана, из которого делают топливо для АЭС, состоялся на Уральском электрохимическом комбинате.

О том, какие деньги на этом зарабатывает Россия, я расскажу позже — после того, как припомню историю приключений «иглы» в Европе, в США, в Пакистане, Северной Корее, в Иране, в Японии, Индии, Китае.

Не просто ж так я придумал заголовок-то!

Источник

Продолжение следует.