Рассказывает Вячеслав Козин
Научный руководитель АО «ТВЭЛ» по газоцентрифужным технологиям
Потомственный разделитель
Я родился в Новоуральске — городе, где находится самый крупный в мире комбинат по обогащению урана. Родители работали там, я видел, как это интересно. Когда пришло время определяться с вузом, без колебаний выбрал физико-технический факультет УПИ (Уральский политехнический институт им. Кирова, сейчас — Уральский федеральный университет им. Ельцина. — Прим. ред.), закончил его по специальности «разделение изотопов».
Работать пошел на УЭХК в опытный цех разделительного производства, где разрабатывают новые центрифуги. По сути, это было конструкторское бюро. В нем я проработал 14 лет: с 1996 по 2010 год. А потом начался второй этап моей карьеры: я перешел в управляющую компанию. Был директором департамента по газоцентрифужным технологиям, затем — генеральным конструктором, сейчас — научный руководитель. Моя задача — организация и управление НИОКР по газовым центрифугам и вспомогательному оборудованию для центрифуг.
Так что я с центрифугой уже 25 лет. За это время появились четыре новых поколения оборудования. Работа не надоедает, ведь мы создаем лучшие в мире центрифуги.
Как это работает
Центрифужная технология
Главная деталь центрифуги — это быстро вращающийся цилиндрический ротор. Скорость вращения — больше 1500 оборотов в секунду. Представить это крайне сложно. Ротор вращается в 100 раз быстрее, чем барабан стиральной машины, когда она отжимает белье. И не две-три минуты, как стиральная машина при отжиме, а 30 лет подряд. Поэтому ротор центрифуги изготавливается из самых прочных металлокомпозитных материалов.
Ротор окружен прочным стальным корпусом для безопасности и для поддержания вакуума внутри. Если ротор будет вращаться не в вакууме, он просто не разгонится до нужной скорости. Естественно, есть электродвигатель, верхние и нижние опоры, удерживающие ротор в вертикальном положении, и ряд других узлов, которые обеспечивают работу ротора.
Как же происходит разделение изотопов в центрифуге? Внутри ротора создается очень мощное гравитационное поле. Тяжелые молекулы концентрируются у стенки ротора, а легкие — чуть дальше от стенки. Мы тяжелый изотоп извлекаем совсем близко к стенке, а легкий изотоп — чуть дальше от стенки. Многократно повторяя этот процесс, добиваемся необходимого обогащения.
Технология газовой диффузии
Метод основан на том, что молекулы изотопов разной массы движутся в пространстве с разной скоростью. Когда мы смесь изотопов продавливаем через мелкопористую мембрану, легкие молекулы, которые движутся чуть быстрее, легче проникают через мелкие поры. Соответственно, за мембраной легкого изотопа становится чуть больше. Но разница мизерная, и для того чтобы получить энергетический уран с обогащением 4–5%, этот процесс продавливания через мембрану нужно повторять тысячи раз.
Размер отверстий в мембране — 10–20 нанометров. Так что, по сути, газовая диффузия — это нанотехнологии 75 лет назад. Это действительно очень сложный метод, потому что мембран этих требовалось очень много, а изготовить их было очень нелегко.
Второй важный элемент оборудования газовой диффузии — это компрессоры, которые продавливают газ через мембрану. Это очень энергоемкое, капиталоемкое и громоздкое оборудование. Самые большие компрессоры — высотой с многоэтажный дом. Такие компрессоры составляли половину стоимости диффузионного завода и потребляли 97–98% электроэнергии. Это огромное энергопотребление, потому что многократно приходилось огромные объемы газа продавливать через фильтры с очень мелкими отверстиями.
Сокрушительное преимущество
70 лет назад все страны, которые обогащали уран, обладали технологией газовой диффузии, и СССР тоже. На сегодняшний день все газодиффузионные промышленные предприятия остановлены. Почему центрифуга полностью вытеснила газовую диффузию? Уже первые центрифуги потребляли электрической энергии в 20 раз меньше, чем газодиффузионное оборудование, были более компактными. Потери рабочего продукта были намного меньше, быстрее устанавливался стационарный рабочий процесс.
Современный центрифужный завод по сравнению с газодиффузионным
в 3 раза меньше инвестиции
в 5 раз меньше площадь
в 50 раз меньше энергопотребление
в 10 раз меньше себестоимость продукции
Цифры
Давайте сравним самый совершенный диффузионный завод и самый современный центрифужный. Возьмем для примера диффузионное разделительное предприятие Eurodif, которое было построено во Франции в 80-е годы прошлого века. Современный завод на российских центрифугах в три раза дешевле, занимает площадь в пять раз меньшую, а энергии потребляет в 50 раз меньше.
Самое главное, сокрушительное преимущество газовой центрифуги — это энергоэффективность. А это тянет за собой и экологичность, и экономичность. Себестоимость изотопной продукции, полученной на современных центрифугах, на порядок меньше, чем у продукции, произведенной по газодиффузионной технологии.
Еще лет 15 назад, когда мировые цены на обогащение урана были на уровне 150–160 долларов за единицу работы разделения, у диффузии были шансы. Но потом цены упали почти в три раза, и с тех пор диффузии просто нет места на рынке — это чистейшая работа в убыток. Диффузионные заводы в США и во Франции закрыты, на территории этих стран построены замещающие центрифужные мощности.
30 лет — минимум
Единственное, в чем первая центрифуга не выигрывала у диффузии, — это срок службы. У первых центрифуг он составлял всего два-три года. А диффузионное оборудование в 1960-е годы могло работать без обслуживания до пяти лет, и общий срок его службы составлял несколько десятков лет. Но уже к пятому поколению центрифуг срок их эксплуатации достиг 30 лет. С тех пор ко всем новым поколениям центрифуг мы на этапе разработки предъявляем требование: ресурс не должен быть меньше 30 лет. И это требование предъявляется не только к центрифуге, но и к основному вспомогательному оборудованию: преобразователям частоты, комплекту АСУ ТП, датчикам, газоанализаторам и прочему.
Утилизация центрифуг — не проблема, это просто техническая задача, которая успешно решена. На разделительных комбинатах есть специальные участки термоликвидации. Агрегаты, которые сняли с технологической цепочки, промывают, чтобы удалить ураносодержащие коррозионные отложения. А затем отправляют в высокотемпературную печь, где при разных температурах выплавляются разные цветные металлы: медь, алюминий и другие. Все это сливается в специальные кристаллизаторы и потом реализуется на рынке как вторичное сырье. Как вторсырье реализуется и черная сталь корпусов и агрегатов центрифуг. Ну а остаточные вещества достаточно компактно помещают на длительное хранение.
Вторая жизнь
Дальнейшее продление срока службы обсуждалось. Но, кроме физического износа оборудования, существует еще и моральный износ. За время эксплуатации одной центрифуги мы иногда успеваем создать четыре следующих поколения. И новое оборудование настолько эффективнее, компактнее, производительнее, что выгоднее модернизировать производство, чем продлевать срок службы действующего оборудования. Сомневаюсь, что мы когда-нибудь будем разрабатывать центрифуги с ресурсом 50–60 лет. Не решаюсь утверждать однозначно, но все-таки это маловероятно.
Быстрее, длиннее, эффективнее
Производительность центрифуги от первого поколения до девятого выросла примерно на порядок, энергозатраты на производство изотопной продукции снизились в несколько раз. Размер центрифуги заметно увеличился. Но размеры наших производственных корпусов остались прежними — мы научились более крупные центрифуги упаковывать плотнее. Более того, с ростом мощности центрифуг часть производственных площадей оказываются избыточными.
Направления НИОКР в развитии центрифужной технологии в широком смысле не изменились за последние 70 лет. Всегда стояла задача увеличения скорости вращения ротора, потому что производительность центрифуги зависит от квадрата скорости. От поколения к поколению мы увеличиваем скорость вращения ротора за счет новых материалов и новых конструкторских решений. Также производительность зависит от длины ротора, поэтому мы стремимся увеличить длину ротора. Но очень длинный ротор автоматически становится надкритическим, который при разгоне вынужден проходить зону резонанса. Для обеспечения работы и надежности такого ротора ищем и внедряем специальные инженерные решения. Надкритическая центрифуга более сложная, но зато и более экономичная.
Отдельно хочу отметить модернизацию вспомогательного оборудования. Центрифуга — это не «сферический конь в вакууме», нужно оборудование для обеспечения ее работы. Причем общепромышленное нам не подходит. Мы сами разрабатываем и производим специальные преобразователи частоты, автоматизированные системы управления технологическими процессами. У нас миллионы центрифуг, и наши АСУ ТП обязаны контролировать ежесекундно работу каждой, то есть обрабатывать миллионы сигналов в секунду.
Три революции
Я бы выделил в истории центрифуги три революционных момента. Первый — это переход от металлического ротора к металлокомпозитному. В определенный момент мы исчерпали прочность металла и перешли к более прочным композитам. С тех пор меняются волокна, матрицы, технологии изготовления композитов для получения все большей прочности и надежности ротора, экономичности центрифуги.
Второе принципиальное изменение — это переход от коротких подкритических роторов к более длинным надкритическим. Такую революцию мы совершили в девятом поколении центрифуги более 10 лет назад.
И третье — это балансировка ротора. Вообще балансировка широко применяется в технике высокоскоростных машин вращения, например, балансировке подвергаются колеса автомобиля для снижения вредных вибраций. Особенность нашей балансировки в огромной частоте вращения ротора, в точнейшем измерении его вибраций, в микроскопической величине допустимого остаточного небаланса. Сегодня балансировка ротора центрифуги и с математической точки зрения, и с аппаратурной — одна из самых наукоемких частей разработки новых центрифуг.
«Цифра» в науке
В последние годы классическая методология НИОКР меняется. Традиционно сначала выпускалась конструкторская документация, изготавливались опытные образцы, проводились испытания, затем шла корректировка документации, снова образцы, снова испытания и так по кругу до полного выполнения всех требований технического задания. Сегодня этот процесс обязательно сопровождается применением цифровых технологий. Они позволяют снижать количество ошибок при разработке и количество повторяемых операций, экономить на изготовлении и испытании образцов.
Последнее поколение эксплуатируемых центрифуг имеет необычное название 9+. По сути, оно десятое. Но когда на начальном этапе НИОКР выбирали среди нескольких улучшенных вариантов, остановились на том, который предполагал повышение эффективности при сохранении внешнего облика как в девятом поколении. Таким образом рабочее обозначение 9+ стало официальным названием машины последнего поколения.
Девять плюс
Мы ставим себе задачу создания цифрового двойника газовой центрифуги, и организация этой работы составляет не меньше половины объема моей деятельности. Одна половина — классические НИОКР, а вторая половина — цифровизация. Задача — создать еще более производительную, еще более экономичную центрифугу, при этом сократив сроки НИОКР за счет цифровых инструментов.
Связь поколений
Срок службы центрифуги — 30 лет, разработка нового поколения центрифуги занимает в среднем 10 лет. На наших разделительных заводах работают миллионы центрифуг. Мы их физически не можем поменять в одночасье, меняем по мере выработки ресурса — 3–4% центрифуг в год. Сейчас в эксплуатации находятся центрифуги пяти поколений.
Программа модернизации производственных мощностей на разделительных заводах обычно разрабатывается на 5–10 лет вперед. Естественно, планы модернизации увязаны с планами НИОКР. Синхронизированы задачи ученых, которые разрабатывают новые центрифуги, задачи заводов-изготовителей, которые выпускают серийные центрифуги и одновременно делают опытные образцы новой центрифуги, а также задачи эксплуатирующих комбинатов. Последние в одних цехах используют старый парк центрифуг, в других цехах ставят на эксплуатацию ныне выпускаемые серийные центрифуги, на третьих — специальных небольших участках — испытывают новые перспективные центрифуги. Вот таким образом вся разделительная отрасль работает сообща, накапливает необходимые знания, чтобы быстро и безболезненно переходить на новые модели центрифуг.
Одной командой
Перечень ключевых разработчиков газовых центрифуг почти не меняется с годами. Многие организации меняют названия, но люди остаются. Два конструкторских бюро, участвовавших в создании центрифуг, вовлечены и сейчас в НИОКР по модернизации. Одно находится в Санкт-Петербурге, это «Центротех-Инжиниринг» — наследник того самого ОКБ Кировского завода. Второе расположено в Новоуральске, оно родилось когда-то в составе УЭХК, а потом выделилось в самостоятельное юрлицо. Сейчас это КБ входит в Научно-производственное объединение «Центротех», которое и разрабатывает, и выпускает центрифуги.
Заводы-изготовители мы тоже относим к участникам разработки, потому что они вносят огромный вклад в создание промышленной технологии крупносерийного производства центрифуг. Их три: Ковровский механический завод, Владимирское производственное объединение «Точмаш» и Научно-производственное объединение «Центротех». Штучные опытные технологии и серийные промышленные — это две большие разницы. И заводы-изготовители серийную технологию разрабатывают совместно с конструкторами.
У нас есть четыре разделительных комбината, и два из них играют очень значительную роль в разработках. Это Уральский электрохимический комбинат в Новоуральске и Электрохимический завод в Зеленогорске. Именно они испытывают опытные образцы, опытные партии, опытно-промышленные партии и даже установочные серии новых центрифуг перед тем, как они получают путевку в серийное производство.
МИФИ мы привлекаем к разработке расчетных кодов, которые используются для оптимизации и обоснования конструкции центрифуги. «Юматекс» отвечает за разработку и производство углеродных волокон и композитов, которые мы применяем в наших центрифугах. В создании цифрового двойника газовой центрифуги участвует Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого.
Безальтернативный метод
Когда я поступал в институт, а было это 30 лет назад, уже существовало несколько известных методов разделения изотопов, помимо центрифужного и газовой диффузии.
Центрифуги мы разрабатываем либо с полным отсутствием импортных комплектующих, либо с абсолютно минимальным их набором. Поколение 9+ создавали в то время, когда в России еще никто не производил высококачественные прочные углеродные волокна, поэтому в проект на этапе НИОКР заложили импортные. Когда готовились к серийному изготовлению центрифуг, «Юматекс» запустил собственное производство углеродного волокна, и мы тут же осуществили импортозамещение. В части микроэлектроники зависимость от импорта не критичная, перекрывается поставками множества дружественных стран, прорабатываем варианты полного импортозамещения.
Стоять на своем
Электромагнитный метод существовал еще до газодиффузионного, но был еще более энергозатратным и капиталоемким. Уже обсуждался лазерный метод. Атомы разных изотопов отличаются не только массой ядра, но и спектром поглощения излучения. Если воздействовать на них лазерным излучением со строго определенной длиной волны, то можно возбудить атом одного изотопа, а целевой изотоп не возбуждать, или наоборот. И потом уже, пользуясь разницей в характеристиках возбужденных и невозбужденных атомов или молекул, как-то их разделять. Метод и поныне разрабатывается в лабораториях США и Австралии, но пока ни о каком промышленном внедрении речи не идет. Слишком много технических сложностей. Мы, конечно, стараемся отслеживать эти работы по публикациям в открытых СМИ и на профильных научно-технических ресурсах, и я могу точно сказать, что пока у центрифуги серьезных конкурентов не появилось и в ближайшие лет 30 не предвидится.
Нет предела совершенству
Наши конструкторы раз за разом находят способы еще увеличить скорость ротора, улучшить параметры вспомогательного оборудования, повысить срок его службы. Важное направление — автоматизация. Мы занимаемся этим не для того, чтобы сократить рабочие места. Мы любим и ценим специалистов, просто некоторые операции требуют автоматизации, поскольку человеческий глаз не такой острый, человеческая рука не такая точная, скорость реакции человека не такая высокая, как у современных высокотехнологичных роботов.
Стратегия у нас прежняя, мы сохраняем наши конструкторские коллективы и наши намерения продолжать разработки новых, еще более эффективных моделей центрифуг. Мы видим потенциал, возможность дальнейшего роста и экономическую целесообразность этих разработок и внедрений.
Разработчики газовых центрифуг
| Конструкторское бюро / предприятие | Поколение ГЦ |
| Конструкторское бюро Ленинградского Кировского завода | 1,2 |
| АО «ЦКБМ» (Санкт-Петербург) | 3,4,5,6 |
| АО «УЭХК» | 7,8 |
| АО «ОКБ — Нижний Новгород» | 9 |
| ООО «НПО «Центротех» | 9+ |
Производители газовых центрифуг
| АО «ВПО «Точмаш» / ПАО «КМЗ» | г. Владимир, г. Ковров |
| ООО «НПО «Центротех» | г. Новоуральск |
Обогатительные предприятия
| АО «УЭХК» | г. Новоуральск |
| АО «СХК» | г. Северск |
| АО «ПО «ЭX3» | г. Зеленогорск |
| АО «АЭХК» | г. Ангарск |
