Изотопы из Сибири

Производство изотопов на ЭХЗ: история и современность

Когда в нашей стране была внедрена газоцентрифужная технология разделения изотопов урана, ученые задались вопросом, можно ли таким способом разделять изотопы других элементов. Первой промышленной площадкой для производства стабильных изотопов не только в Советском Союзе, но и во всем мире стал Электрохимический завод в Зеленогорске Красноярского края. Работе с изотопной продукцией как самостоятельному направлению деятельности ЭХЗ в эти дни исполнилось 52 года, за это время предприятие освоило производство более сотни изотопов различных химических элементов.

Как все начиналось

На разделительном производстве ЭХЗ газовые центрифуги действуют с 1964 года. В индустриально значимых объемах изотопы стало возможно разделять именно с освоением газоцентрифужной технологии, при использовании которой удельные энергозатраты оказываются в несколько раз меньше по сравнению с широко применявшимся на старте советского атомного проекта газодиффузионным методом.

У истоков научно-методического обеспечения производства изотопов стоял академик Исаак Кикоин, которого вдохновили и воодушевили успешно решенные экспериментальные задачи по разделению стабильных изотопов в лабораториях Института атомной энергии им. И. В. Курчатова. Поэтому в организации опытно-промышленного производства на ЭХЗ самое деятельное участие принимали курчатовцы, которых всемерно поддерживали технические руководители предприятия Валентин Шаповалов и Анатолий Шубин.

Первый ориентированный на наработку неурановых стабильных изотопов стенд на ЭХЗ запустили в эксплуатацию 9 ноября 1971 года (всего через девять лет после начала работы самого завода), и вскоре на нем удалось получить несколько десятков граммов железа-57 с 80-процентным обогащением. Только ни газета «Правда», ни Центральное телевидение об этом не сообщили. Работа изотопного стенда (впрочем, как и остальная деятельность предприятия) считалась строго закрытой, поэтому всем сообщениям о производственных достижениях присваивали гриф секретности. Конечно, не просто так. Стабильный изотоп широко распространенного металла — железо-57 — уже тогда находил применение в самых разных считавшихся передовыми технологиях, от дефектоскопии и метрологии до освоения космического пространства. Это время было началом космической эпохи, и такое направление энергетики, как автономные ядерные двигательные установки для непилотируемых аппаратов, бурно развивалось. Для этого в том числе могли быть использованы специфические свойства стабильных изотопов различных химических элементов, которые ученые тогда не могли получить в значимых количествах другими методами.

Вторым элементом, изотопы которого разделили на ЭХЗ, стал вольфрам. С тех пор в течение двух десятков лет в структуре центральной заводской лаборатории (ЦЗЛ) ЭХЗ шло планомерное наращивание объемов и освоение методов разделения все новых и новых изотопов, как стабильных, так и радиоактивных. Знаковой вехой в конце 1980-х годов стало получение одного за другим трех важных для широкого спектра промышленных задач изотопов — железа-55, углерода-14 и криптона-85. В 1990 году специалисты ЦЗЛ самостоятельно разработали, апробировали и успешно внедрили в производство технологию перевода диэтилцинка в оксид цинка, обедненный по изотопу цинк-64, и тем самым продемонстрировали способность коллектива обеспечить полный производственный цикл — от научных расчетов вплоть до коммерческой поставки. Этот продукт добавляют в теплоноситель первого контура АЭС, чтобы снизить дозу излучения при плановых ремонтах и повысить коррозионную стойкость трубопроводов.

Разделяй и лидируй

Достигнутые успехи подвели предприятие к запуску проекта «Светлана» — созданию в 1993 году отдельного изотопного цеха и организации на его основе полноценного промышленного комплекса производства стабильных изотопов. Как раз тогда, в 1990-е годы, эта продукция оказалась чрезвычайно востребованной как на мировом, так и на внутрироссийском рынках. В частности, в относительно больших объемах стабильные изотопы потребовались физикам-ядерщикам (для научных экспериментов) и медикам (для получения радиохимфармпрепаратов путем дополнительного облучения в ядерных реакторах или на ускорителях).

Сейчас основной продукцией ЭХЗ как предприятия разделительно-сублиматного комплекса Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» остается низкообогащенный уран-235. Наработанные же за три десятка лет в рамках отдельной производственной линии технологии позволили предприятию войти в первую пятерку мировых производителей изотопов и занять лидирующее место в мире по их производству газоцентрифужным методом. Сегодня ЭХЗ выпускает 115 изотопов 22 различных химических элементов совокупным ежегодным объемом в несколько центнеров, закрывая свыше трети потребностей мирового рынка. Если же говорить только о стабильных изотопах, доля ЭХЗ на мировом рынке превышает две пятых от глобального объема контрактации. Каскады газовых центрифуг цеха производства изотопов ЭХЗ позволяют получать стабильные изотопы аргона, бора, вольфрама, германия, железа, иридия, кадмия, кремния, криптона, ксенона, молибдена, никеля, олова, осмия, свинца, селена, серы, теллура, углерода, хрома, цинка, циркония.

Сибирские изотопы широко используются в различных отраслях науки и современной высокотехнологичной индустрии — в атомной энергетике, медицине и электронике, металлургии, космической технике и авиастроении, спектроскопии и аппаратуре неразрушающего контроля, в исследованиях по общей химии, физике, биотехнологиям, метеорологии, агрохимии. Производство на ЭХЗ вмещает полный технологический цикл — от получения рабочего вещества и проведения процессов разделения на газовых центрифугах до преобразования газообразных полуфабрикатов стабильных изотопов в товарные формы. Высок и диапазон доступной изотопной номенклатуры отдельных элементов. Так, по углероду и бору выпускаются по паре изотопов, а по олову — целых десять (с атомными весами от 112 до 124).

Кроме того, специалисты предприятия накопили огромный опыт в производстве высокочистых веществ, а также изотопов с высокой удельной активностью — например, никеля-63. Этот изотоп представляет собой источник мягкого бета-излучения и может применяться в бетавольтаических источниках питания с длительностью работы до нескольких десятилетий, что востребовано в самых разных областях — от медицинских электрокардиостимуляторов до космических приборов.

Высокое качество продукции предприятия подтверждено лабораториями потребителей и независимыми испытательными центрами как в нашей стране, так и за рубежом.

Ловить нейтрино и «просветлять» темную материю

Одна из перспективных областей применения стабильных изотопов — крупномасштабные научные эксперименты, такие как поиск темной материи Вселенной, изучение безнейтринного двойного бета-распада, регистрация солнечного нейтрино. Эти исследования помогут ответить на многие важные вопросы физики и космологии. Потребности международных научных проектов в стабильных изотопах с предельной степенью обогащения и с высокой химической чистотой достигают тысяч килограммов. Роль производителей изотопов в этих масштабных экспериментах очень важна: успех научных программ во многом зависит от качества продукции, сроков наработки, специальных условий хранения и доставки.

В XXI веке изотопное производство ЭХЗ стало активным игроком на поле трудоемких и долговременных глобальных инициатив, предполагающих высокую степень научной кооперации и взаимной поддержки ученых, конструкторов и технологов множества стран. В общей сложности изотопы ЭХЗ «засветились» в более чем двух десятках подобных международных начинаний.

С участием в международных проектах по изучению свойств нейтрино ЭХЗ решил ряд нестандартных задач по производству изотопов и логистике. Например, промежуточное хранение продукции организовано в подземном хранилище в специально изготовленном для этого защитном саркофаге, который предохраняет изотопы от космического излучения. Для транспортировки изотопов разработан специальный упаковочный контейнер, который выполняет те же функции, что и подземный саркофаг.

Десять лет назад завод приступил к участию в проектах «Килограмм-2» и «Килограмм-3», решавших сразу две фундаментальные задачи — обновление эталона массы и уточнение значения числа Авогадро. В рамках этой работы ЭХЗ наработал необходимое количество кремния-28 в виде тетрафторида — сырья для получения поликристаллического кремния, из которого вырастили монокристалл (необходимый, в свою очередь, для получения нового эталона массы). В 2016 году своими партиями молибдена-100 завод начал участвовать в международном эксперименте по поиску двойного безнейтринного бета-распада. Пять лет назад специалисты предприятия освоили технологию получения хрома-50 по заказу Института ядерных исследований РАН, координировавшего реализацию одного из глобальных научных экспериментов в области изучения свойств нейтрино.

Изотопы ЭХЗ поставлялись в научные лаборатории и исследовательские центры по всему миру, в том числе в США, Великобританию, Швейцарию, Германию, Австралию, Японию.

Смотреть вперед

Происходящие в мире события вносят в работу свои коррективы, но изотопному производству ЭХЗ удается справляться с дополнительными вызовами. Изотопы из русской Сибири по-прежнему идут на все континенты, кроме Антарктиды: география поставок простирается от Канады и Бразилии до Индии, Японии и Австралии.

В 2022 году выручка Электрохимического завода превысила 19 млрд рублей, показав рост на 6,9%. Выручка от реализации изотопной продукции превысила 1,6 млрд рублей, а зарубежная выручка в очередной раз побила рекорд и превысила 20,6 млн долларов США (рост к 2021 году — 11,6%).

Впервые в мире на промышленной газоцентрифужной установке наработана первая партия изотопа цирконий-96 с обогащением 88%. Продукт поставлен заказчику — Объединенному институту ядерных исследований в Дубне, он будет использован для изучения безнейтринного двойного бета-распада. В 2022 году наработаны также образцы других изотопов циркония (90, 92, 94). Цирконий стал 22-м в ряду химических элементов, производство изотопов которых освоено предприятием.

После долгого перерыва ЭХЗ вернулся к производству кремния-28, этот изотоп требуется для полупроводниковой промышленности и микроэлектроники, а в перспективе — для квантовых компьютеров. Также на предприятии серьезно продвинулись в организации выпуска бора-10.

Продолжается работа по созданию участка синтеза ¹³С-карбамида — продукта, используемого для изготовления медицинских дыхательных тестов, с помощью которых точно и безболезненно можно установить наличие в организме человека бактерии Helicobacter Pylori (врачи считают ее основной причиной развития гастрита, язвы и даже рака желудка).

Несмотря на успехи, на лаврах в ЭХЗ никто не почивает. На повестке — освоение новых технологий, в частности тех, которые откроют выход на международный и российский рынки изотопов редкоземельных элементов (перспективные направления применений — научные исследования, стартовые изотопы для ядерной медицины, ядерная энергетика).

Текст подготовлен на основе материалов из открытых источников