Рассказывает Иван Тронин

Доцент ИНТЭЛ НИЯУ МИФИ, исполняющий обязанности заведующего кафедрой молекулярной физики

С центрифугой по любви

Я потомственный МИФИст: оба родителя закончили МИФИ и здесь работали. Поэтому вопрос, куда поступать после школы, для меня не стоял. 1990-е годы, когда я учился, для науки были не лучшим временем. Но мой учитель Владимир Дмитриевич Борман привил мне такую любовь к науке, что после выпуска я не пошел работать в коммерческие структуры, как многие мои однокурсники, а все-таки остался в университете. 

Изначально я занимался теоретической физикой, и моя кандидатская диссертация не имела отношения ни к газовым центрифугам, ни к атомной отрасли. В конце нулевых годов Борман предложил мне порешать задачи, связанные с газовыми центрифугами, и вот уже более 10 лет я занимаюсь численным моделированием процессов, происходящих внутри ГЦ. Кафедра занимается также физикой наносистем, физикой композитов. В проекты по этим направлениям я тоже вовлечен.

Задавая вектор

Кафедра молекулярной физики МИФИ была основана в 1950-е годы по инициативе Игоря Васильевича Курчатова и Исаака Константиновича Кикоина. Последний, как вы знаете, был научным руководителем работ по разделению изотопов урана в атомном проекте. Первым заведующим кафедрой был Михаил Дмитриевич Миллионщиков — один из разработчиков конструкции газовой центрифуги. И, конечно же, кафедра в первую очередь была нацелена на изучение изотопов и технологий их применения. Так что специалисты МИФИ с самого начала были вовлечены в разработку газоцентрифужной технологии. 

С тех пор, конечно, много воды утекло. Кафедра трансформировалась. Сейчас у нас три основных направления. По-прежнему занимаемся разделением изотопов, и здесь мы в числе мировых лидеров. Прорыв в сфере информационных технологий дал дополнительные возможности разработчикам новых поколений газовых центрифуг. Часть дорогих экспериментов мы смогли заменить компьютерным моделированием. МИФИ с нуля создал методики и программное обеспечение для расчета газодинамических процессов внутри газовой центрифуги. До сих пор в газоцентрифужной тематике много научных вопросов, несмотря на то что технологии уже почти 70 лет. Конструкторы предлагают различные варианты усовершенствования оборудования, а мы, ученые, рассчитываем, как они повлияют на эффективность центрифуги. Тем самым мы определяем направление совершенствования техники и технологии. Задаем вектор.

Помимо разделения изотопов, кафедра занимается масс-спектрометрией. Не без гордости скажу, что и в этом направлении мы создали собственную сильную научную школу. Третье направление — нанодисперсные системы. Наши ученые участвуют в создании «умных» композитных материалов. 

Изотопный ликбез

Что такое изотопы? Есть у вас, допустим, два атома. Один является изотопом другого. Это значит, что химически они одинаковы, а массы у них разные. Потому что в ядрах количество нейтронов разное. За счет этой разницы дочерний изотоп может очень сильно отличаться от родительского по свойствам. 

Возьмем для примера ¹⁰B и ¹¹B — изотопы одного и того же химического элемента (бора). 10-го изотопа в природе в четыре раза меньше, чем 11-го. Но только 10-й изотоп хорошо поглощает нейтроны, поэтому именно он широко используется в атомной энергетике для регулирования интенсивности цепной реакции. Перейдем теперь к урану. В природной урановой руде содержится лишь 0,7% ²³⁵U, нужного для работы реакторов на тепловых нейтронах. Следовательно, природный уран надо разделить, иначе говоря, обогатить до нужной концентрации 235-го изотопа.

Методов разделения изотопов великое множество: лазерный, центрифужный, масс-спектрометрический, циклотронный, испарительный и др. Одни хороши для одних изотопов, другие — для других. Уран — очень тяжелый элемент. Для таких лучше всего подходят центрифужные методы разделения. Можно использовать и другие методы, но это будет либо слишком энергозатратно, либо малоэффективно и, как следствие, дорого. 

Пока без конкуренции

Сегодня альтернативы газоцентрифужному методу разделения изотопов урана нет. В будущем конкуренцию ему может составить лазерный. Его развивают уже много лет, но пока никто не придумал, как сделать лазерное разделение таким же экономически выгодным, как центрифужное. Пока оно в десятки раз дороже. Наука на месте не стоит, я не исключаю, что ученые придумают некий специфический лазер, который сможет долго работать на определенной длине волны, возбуждая атомы только 235-го изотопа урана. Отдельный вопрос — как эти атомы отделить от остальных. На него пока нет однозначного эффективного ответа.

Есть еще спектрометрический метод, с помощью которого первые граммы обогащенного урана были получены и в СССР, и в США. Но он еще дороже, чем лазерный, и как его удешевить, пока не придумали. Для массового производства он, конечно, не годится. 

Так что альтернативными методами разделения изотопов урана мы в МИФИ занимаемся постольку-поскольку. Основные усилия направлены на усовершенствование газовых центрифуг и разработку новых конструкций, которые позволят обогащать уран еще дешевле, еще эффективнее.

Секреты разделения

МИФИ регулярно участвует в международных научных форумах по разделению изотопов. Один из самых крупных — международная конференция SPLG (Separation Phenomena in Liquids and Gases) по проблемам физики процессов разделения. Но газовая центрифуга для разделения изотопов урана — изделие абсолютно закрытое: и в Росатоме, и в европейском концерне Urenco, и у других разработчиков. Например, специалисты из Urenco последний раз делали доклад на конференции SPLG в 1991 году. Развитие центрифужной технологии на этом форуме вообще обсуждается в абстрактном ключе, никакие конкретные цифры или решения в докладах по этой тематике не приводятся. 

Но газовыми центрифугами можно делить не только изотопы урана. Сейчас и на Западе, и у нас в России идет разработка центрифужной технологии разделения легких изотопов. Она очень востребована в медицине. Ученые по всему миру думают и над тем, в каких еще областях можно применить разделительные центрифуги. Ускорения в миллион раз не так просто добиться в лаборатории, а в центрифуге оно достижимо. Может быть, в центрифуге можно получать новые материалы с уникальными свойствами? Идей в этой области много.

Кадры для новых поколений

Студенты, которые учатся на кафедре молекулярной физики МИФИ, изучают, помимо прочего, и газоцентрифужную тематику. Так что мы готовим специалистов, которые в состоянии разрабатывать новые поколения газовых центрифуг. Новоуральский филиал МИФИ готовит инженерно-технический персонал для разделительных производств. 

На московской площадке мы знакомим студентов с газоцентрифужной технологией на третьем курсе. На четвертом — в каждом семестре есть пара курсов по разделению изотопов. Но уже с первого курса мы начинаем рассказывать об уникальных возможностях газовой центрифуги. Когда говоришь вчерашнему школьнику о небольшом устройстве, у которого скорость вращения в 10 раз выше, чем у коленвала болида «Формулы-1», это производит сильное впечатление. Студенты начинают понимать, что это невероятно сложное, высокотехнологичное устройство, что в газоцентрифужной технологии есть множество интересных нерешенных задач для ученого. 

Ведь центрифуга — это черный ящик, в котором течет газ, а как течет — никто не видел. Только современные компьютерные технологии позволяют нам понять, что происходит внутри этого аппарата. Рассказываешь студентам о моделировании газодинамических процессов, объясняешь, что в этой области много интересных задач (и методических, и инженерно-технических), — и у многих ребят загораются глаза. К сожалению, студенты из Москвы не слишком охотно едут работать в конструкторские бюро по газовым центрифугам Санкт-Петербурга и Новоуральска. Но это уже задача работодателя — мотивировать молодых специалистов.

Регулярно на нашей кафедре студенты готовят дипломные работы по центрифужной технологии. Причем дипломы наших выпускников всегда содержат некую научную новизну, являются шагом вперед в мировой науке. Есть и диссертации по этой тематике. Надеюсь, через пару лет мой аспирант будет защищать по центрифугам кандидатскую диссертацию, сам я готовлюсь к защите докторской. Так что новых идей много, только рук на разработку всех идей не хватает. 

Поэтому я призываю молодежь: приходите в науку, приходите заниматься газовыми центрифугами. В этой области есть над чем подумать. Если действующие специалисты хотят повысить квалификацию, узнав подробнее о центрифужной технологии разделения изотопов, — милости просим, у нас есть магистратура на кафедре. Учиться в МИФИ, правда, тяжело, но тут уж ничего не поделаешь. Мы стараемся учить хорошо.