Рассказывает Павел Мочалов
Генеральный директор — главный конструктор ЗАО «ОКБ — Нижний Новгород» с 2010 по 2017 год
Неслучайная случайность
В 1988 году я закончил учебу на физико-техническом факультете Горьковского политехнического института по специальности «атомные электростанции и установки». Распределился на ГАЗ в цех № 4 производства нестандартного оборудования (ПНО ГАЗ), при этом до последнего не знал, чем буду заниматься. Знал только, что ПНО ГАЗ относится к Минсредмашу и выпускает для него крупносерийную продукцию, а цех № 4 — это КБ при ПНО. В КБ требовался расчетчик, и я решил, что это может быть хорошим началом моей трудовой биографии, поскольку всегда питал интерес к расчетам. Только после трудоустройства выяснилось, что крупносерийная продукция — это газовые центрифуги. Так что можно сказать, что я пришел к центрифугам чисто случайно, но продолжаю ими заниматься.
Из ОКБ-НН вышел исходный вариант ГЦ 6-го поколения, который после доработки в питерском КБ стал машиной эталонной надежности с годовыми отказами в сотые доли процента и потому в том числе экспортировался в КНР.
ОКБ-НН разработало и внедрило в серию ГЦ 9-го поколения — первую в отечественной отрасли надкритическую ГЦ.
В результате работ по снижению себестоимости ГЦ-9 путевку в жизнь получила машина ГЦ-9+ (текущая серийная машина разделительно-сублиматного комплекса). Разработка отмечена государственными наградами.
ОКБ-НН — автор ряда неурановых центрифуг, на базе которых одно время функционировало производство стабильных изотопов в РФЯЦ-ВНИИЭФ.
Разработки ОКБ-НН
Я не представляю, как можно не попасть под очарование ГЦ-технологии.ГЦ — это самые высокопрочные материалы, самые высокомодульные материалы, самые износостойкие материалы и еще много всего «самого». Это удивительный сплав знаний по газодинамике, гидродинамике, роторной динамике, прочности, механике композиционных материалов, вакуумной и криогенной технике, трибологии, магнетизму, теплообмену, электротехнике, теории надежности, теории колебаний и многих других дисциплин. Это источник мощнейшего центробежного поля, потенциал применения которого еще полностью не раскрыт. И это в высшей степени технически элегантное устройство. Представьте себе километровые цеха, сотни тысяч одновременно работающих машин. Работают практически безотказно более 30 лет. Без обслуживания. Центробежное поле таково, что в нем разделяются молекулы с разницей масс в три нейтрона.
Для меня ГЦ — это еще и незримая пронзительная связь с ветеранами-первопроходцами, которым было в сто раз сложнее, чем нам сейчас, но они умели добиваться успеха и своим интеллектом, и силой духа, и несгибаемостью воли.
От ГАЗа до «ТВЭЛа»
Нижний Новгород — один из восьми городов, имеющих прямое отношение к созданию и развитию ГЦ-технологии. В Новоуральске есть «Галерея славы», где в том числе можно увидеть представителей Нижнего Новгорода, внесших свой вклад в славную летопись газоцентрифужной технологии.
Нижегородское (горьковское) ОКБ было создано в структуре Минсредмаша распоряжением Совета Министров РСФСР № 1246 от 24.03.1961 с целью разработки новых поколений газовых центрифуг для атомной отрасли при производстве нестандартного оборудования Горьковского автомобильного завода (ПНО ГАЗ). Научным руководителем газоцентрифужной тематики в те времена был Исаак Константинович Кикоин из Курчатовского института. Создание КБ при ПНО ГАЗ — это его инициатива.
Нижегородское конструкторское бюро было одним из трех КБ по ГЦ (наряду с питерским и уральским), а ПНО ГАЗ было в свое время головным заводом — изготовителем ГЦ в триаде Горький — Ковров — Владимир.
Отец-основатель «ОКБ — Нижний Новгород» — доктор технических наук Юрий Петрович Заозерский, который с самого начала и до 2009 года возглавлял организацию. Это легендарный человек, стоявший у истоков создания отечественной разделительной промышленности. Настоящий русский инженер старой школы. Подробности про ОКБ можно найти в книге коллектива авторов (Н. Шаталин, В. Денисов, А. Медов, Ю. Заозерский, А. Корочкин, Н. Шубин) «Нетрадиционная продукция Горьковского автозавода» (Н.Новгород: Типография ГАЗ, 1999).
Статус ОКБ менялся в разные годы:
— цех №4 ПНО ГАЗ;
— ОКБ ГАЗ;
— ОКБ ЭХЗ как филиал ФГУП «ЭХЗ» (с 2003 года);
— «ОКБ — Нижний Новгород» в контуре управления «Техснабэкспорта» (с 2007 года);
— «ОКБ — Нижний Новгород» в контуре управления ОАО «ИЦ»«РГЦ»;
— «ОКБ — Нижний Новгород» в контуре управления «ТВЭЛ».
После вхождения «ОКБ — Нижний Новгород» в структуру Топливной компании «ТВЭЛ» стало больше внимания уделяться таким вопросам, как цифровизация НИОКР; приоритет коротким НИОКР с быстрым сроком окупаемости; бережливая система разработки нового продукта; применение ТРИЗ в работе конструктора; влияние конструкторских решений на себестоимость производства ГЦ и ЕРР (единицы работы разделения); учет полного жизненного цикла ГЦ; целевые показатели для конструкторов ГЦ; сравнительный анализ (бенчмаркинг) с лучшими мировыми практиками, для чего Топливная компания организовала нашу поездку на заводы Urenco; альтернативные методы разделения изотопов урана; учет стороннего опыта конструирования быстровращающихся роторных машин.
Не только уран
В сложные 1990-е годы в рамках работ по диверсификации силами ОКБ-НН была создана промышленная конструкция медико-биологической ультрацентрифуги К-32, опытный образец левитирующей (безопорной) центрифуги для получения особо чистых газов в интересах микроэлектронной промышленности, лабораторная настольная микроцентрифуга МЦ-1 для анализа крови, бельевая центрифуга «Астра». Думаю, что если можно было бы совершить скачок во времени, то наша настольная «кровяная» микроцентирифуга МЦ-1 была бы вполне востребованным лабораторным инструментом для диагностики коронавирусной инфекции методом ПЦР.
Благодаря заимствованию опор от газовой центрифуги медико-биологическая ультрацентрифуга К-32 для своего времени была очень прогрессивной машиной, имела рекордные характеристики по скорости и ресурсу. Машина К-32 выпускалась серийно Экспериментальным заводом научного приборостроения в г. Черноголовке. В 1980 году за создание ультрацентрифуги К-32 коллективу авторов ОКБ (Т.В. Попов, Ю.П. Заозерский, В.В. Зозин, А.Е. Ермишин, А.Г. Сухов, Г.И. Волков) была присуждена Государственная премия СССР.
В 1989 году в Министерстве атомной энергетики была принята Отраслевая целевая комплексная программа создания микроэлектроники, вычислительной техники и автоматизации, и ОКБ стало активным участником этой программы. Разработка безопорной центрифуги в электромагнитном подвесе для наработки особо чистых веществ в интересах микроэлектронной промышленности выполнялась ОКБ по договорам с НИИИС (Н. Новгород), ВНИИХТ (Москва), ЭХЗ (Зеленогорск). В левитирующей ГЦ не было трения, не было органики. Отсюда уникальная чистота продукта, которая измерялась большим количеством девяток после запятой.
Преодолевать резонансы
Принципиальное отличие ГЦ-9 от предшествующих поколений в том, что это первая отечественная серийная центрифуга надкритического типа. Надкритическая ГЦ (НГЦ) при разгоне от нуля до рабочей скорости преодолевает один или несколько изгибных резонансов, а подкритическая — нет. Если отношение длины ротора к диаметру L/D > 5, то ГЦ надкритическая, а если меньше, то подкритическая. Производительность ГЦ зависит от скорости и длины. Повышение скорости лимитируется прочностью существующих материалов, и тут все резервы принципиально исчерпаемы, причем достаточно быстро. Путь в длину не имеет принципиальных ограничений, если научиться преодолевать резонансы.
на 7%
превысила требования технического задания фактическая производительность ГЦ-9, являющаяся основным параметром машины
Цифры
Если говорить о том, насколько в ГЦ-9 использован опыт предыдущих разработок, я бы оценил степень унификации в 60–65%. В основном это прежние конструкционные материалы ротора и освоенные ранее техпроцессы их переработки. Примечательно, что в ГЦ-9 были использованы только отечественные материалы.
Какую «девятку» выбрать?
Проект ГЦ-9 стартовал в 2000 году. В 2012 году приемочная комиссия дала рекомендацию о серийном производстве. Чтобы дойти до серии, понадобилось 12 лет, шесть опытных партий, одна опытно-промышленная партия, одна установочная серия. ГЦ-9 — это не модификация, а достаточно радикальная инновация. В опытных партиях выявилось много проблем: трещины, размотки, расцентровки и др. В ТЗ есть показатель надежности — интенсивность отказов. Для его подтверждения надо, чтобы довольно большое количество ГЦ проработало довольно большое количество времени. Тут никак не ускоришься. В этом специфика и сложность разработки ГЦ. Надкритическая ГЦ отличается от подкритической, как сверхзвуковой самолет от дозвукового, но при этом конструктору нужно добиться и продемонстрировать приемочной комиссии, что сверхзвуковой самолет так же надежен, как дозвуковой.
Запомнился эпизод, связанный с разработкой ГЦ-9. Испытания очередной опытной партии дали отказы. Первопричина непонятна. Собрали совещание для «разбора полетов». Все участники пытаются отвести вину от себя: конструкторы винят криворуких изготовителей, изготовители винят скудоумных конструкторов. Представитель управляющей компании, председательствующий на совещании, принимает решение — расставить конструкторов по всей технологической цепочке и изготовить 32 «контрольных» агрегата под максимально возможным авторским надзором объединенными силами всех трех КБ. Если после этого опять будут отказы, то виноваты конструкторы, а если не будет отказов, то виноваты изготовители. Виновные будут уволены, невиновные получат награды. После этого представитель управляющей компании берет листок, пишет с одной его стороны заголовок «Список на увольнение» и вписывает всех основных действующих лиц, причастных к разработке ГЦ-9. Потом переворачивает листок на другую сторону, пишет заголовок «Представление на награждение» и вписывает те же фамилии. Изготовили 32 агрегата под усиленным авторским надзором. Отказы нулевые. Конструкторы ходили гордые, изготовители — понурые. Никого не уволили. Никого не наградили.
Был такой случай…
Сложности были еще и в том, что нужно было понимать причину отказа, отделять конструкторские недостатки от недостатков изготовителя. Например, разрушилась ГЦ. Кто виноват? У меня даже мысли возникали, что надо организовать обучающий курс для подготовки специалистов по расследованию причин аварий ГЦ.
НИОКР по ГЦ-9 несколько затянулись еще и потому, что мы сами внутри своей разделительной подотрасли долго не могли принять решение, какую ГЦ выбрать для серии. Разработка шла в конкурентной среде. У каждого из трех КБ (горьковского, питерского, уральского) был свой вариант ГЦ-9 и свое финансирование. И это всех устраивало. Наверное, так же неспешно разрабатывали бы и дальше, но предел терпения «наверху» закончился. Наша нерешительность привела к тому, что в 2008 году был созван НТС Росатома, на котором рассмотрели ход вариантной разработки ГЦ-9, заслушали мнения заводов-изготовителей и ВНИПИЭТ по выбору варианта ГЦ-9. Все указали на нашу горьковскую «девятку». Вскоре после НТС назначили административное совещание под председательством С.В. Кириенко и зафиксировали выбор в пользу горьковцев, поставили задачу изготовить в 2008 году опытно-промышленную партию и начать ее испытания в 2009 году. После этого «пинка» все резко интенсифицировалось.
От поколения к поколению
Газовые центрифуги для обогащения урана начали разрабатываться в нашей стране 70 лет назад. За это время появилось 10 поколений ГЦ, то есть в среднем на разработку нового поколения ГЦ требуется 7 лет. Сокращается ли время разработки от поколения к поколению? Такая тенденция есть. Разработка ГЦ-9 заняла 12 лет (с 2000 по 2012 год). Разработка ГЦ-9+ длилась 5 лет (с 2012 по 2017 год).
Есть планы еще более ускорить цикл разработки. Для этого предполагается внедрить новую методологию НИОКР с использованием цифровых двойников ГЦ. Поясню, о чем идет речь. Традиционный подход к разработке нового продукта, в частности ГЦ, таков:
— ТЗ;
— стартовая конструкция;
— расчет;
— изготовление образца № 1;
— натурные испытания образца № 1;
— изменения конструкции;
— изготовление образца № 2;
— натурные испытания образца № 2;
— изменения конструкции и т.д., пока ТЗ не будет выполнено.
Недостаток традиционного подхода в том, что основная ставка делается на натурные испытания. Соответственно, необходимость в изменениях выявляется на этапах опытного производства и испытаний, а это наиболее дорогостоящие изменения. Поэтому вывод на рынок нового продукта при таком подходе происходит долго и дорого.
Разработка с использованием новой методологии цифровых двойников (ЦД) и виртуальных испытаний позволяет на ранней стадии расчетным образом исследовать все альтернативы разрабатываемого изделия с помощью высокоадекватных цифровых моделей и тем самым сэкономить время, деньги, пройти приемочные испытания с первого раза. Все компании уделяют большое внимание ускоренному выводу на рынок нового продукта и постепенно приходят к цифровым двойникам, используя ту или иную программную платформу. При этом оцифровываются процессы на всех этапах жизненного цикла продукта, включая производственные, — это и есть цифровой двойник технологии. Обязательная верификация и валидация цифровых моделей гарантирует высокую адекватность моделирования с точностью ±5% от натурного эксперимента.
В использовании ЦД для ускоренной разработки нового продукта преуспела команда А.И. Боровкова из СПбПУ. Мы сейчас активно с ними сотрудничаем по созданию цифрового двойника газовой центрифуги на их программной платформе CML-Bench. Принятый в 2021 году ГОСТ по цифровым двойникам должен помочь переходу на новую методологию НИОКР.
Время покажет, насколько ЦД ГЦ сократит этап разработки. Я думаю, что применительно к ГЦ даже при внедрении ЦД останется некий несжимаемый срок разработки, связанный с необходимостью демонстрировать надежность ГЦ в ходе натурного эксперимента согласно требованиям ТЗ.
Если говорить о том, требуется ли замена оборудования для производства ГЦ при внедрении новых поколений, то бывает по-разному. Если у ротора изменилась длина или диаметр, то, конечно, потребуется замена оборудования и оснастки. Потребуются инвестиции в подготовку к производству такой ГЦ. Если габариты внедряемой ГЦ остались прежними, а изменилась лишь скорость, то нет нужды менять оборудование. Например, внедрение ГЦ-9+ не потребовало изменений существующей инфраструктуры изготовителей и эксплуатационников.
Что будем крутить?
Конечно же, на базе любой серийной урановой ГЦ создается неурановая ГЦ. Глупо было бы ограничиваться лишь изотопами урана и ГФУ в качестве рабочего газа. Таблица Менделеева большая, и есть спрос на многие неурановые изотопы. Иногда неурановая ГЦ похожа на своего «старшего брата», иногда не очень. Все зависит от рабочего газа в неурановой ГЦ.
Во времена ОКБ ГАЗ было принято решение зарабатывать продажей стабильных изотопов. Запустили небольшой каскадик из наших машинок в лаборатории ресурсных испытаний. Нарабатывали изотопы ксенона, криптона, серы, цинка, кадмия, никеля, кремния. Деньги от продаж изотопов шли, но их было недостаточно для самофинансирования. Решили попробовать экзотику — те направления, куда еще никто не ходил с ГЦ. Стали «крутить» триметилталлий Tl(CH3)3. Поставщик, который синтезировал вещество, умолчал, что в нем есть стабилизирующая добавка. В каскаде ГЦ эта добавка отделилась и ушла в один конец каскада. Изотопно-модифицированный триметилталлий собрали в баллон на другом конце каскада. Естественно, без стабилизирующей добавки, но мы про это не знали. Баллон вскоре раздулся как шар и взорвался. Хорошо, что никто не пострадал, и хорошо, что баллон был во льду под вытяжкой. С тех пор стали от всех поставщиков требовать паспорт безопасности вещества, предусмотренный ГОСТом.
Был такой случай…
Например, часто требуется крутить легкий газ, который на порядок легче, чем ГФУ. Бывает наоборот — молекула рабочего газа очень тяжелая и нестабильная. Разваливается при небольшом нагреве. Приходится принимать меры, чтобы такая молекула не перегрелась внутри ГЦ. Бывает, что рабочий газ в неурановой ГЦ — очень агрессивное вещество. Например, какая-нибудь металлоорганика. Приходится принимать меры, чтобы материал ротора был стойким в таком газе. Причем речь идет не о простой коррозии, а коррозии под напряжением.
Иногда требуется «горячая» ГЦ. Дело в том, что газоцентрифужная технология (урановая или неурановая) требует, чтобы рабочее вещество было летучим, с достаточной упругостью пара. В противном случае возникают сложности с каскадированием машин. Некоторые коммерчески привлекательные химические элементы не имеют летучих соединений при комнатной температуре, но могут «полететь» при повышенных температурах. Отсюда интерес к «горячей» ГЦ.
Часто употребляемая фраза «неурановая ГЦ для наработки стабильных изотопов» не всегда верна. У меня в памяти есть несколько случаев, когда конструкторы ГЦ выполняли заказ на разработку неурановой ГЦ для выделения радиоактивных изотопов. Такие ГЦ имеют довольно приличную биологическую защиту.
Что касается ГЦ-9, то так получилось, что надкритическая ГЦ для неурановых изотопов под названием К38 стала эксплуатироваться намного раньше своего уранового собрата.
Взгляд в будущее
В интернете можно найти видеоинтервью с Гернотом Циппе, патриархом и прародителем европейской ГЦ. Он говорит, что будущие ГЦ видит левитирующими в опорах из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП-опорах). Я соглашусь с ним. Появление ВТСП второго поколения, энергоэффективных и очень надежных криокулеров, серия успешных демонстрационных проектов с накопителями кинетической энергии на ВТСП-опорах — все это хорошие предпосылки для ГЦ с ВТСП-опорами.
