Pramoninis urano izotopų atskyrimas prasidėjo Jungtinėse Amerikos Valstijose kaip Manheteno projekto, skirto atominiams ginklams gaminti, dalis. 1943 m. lapkritį buvo baigta statyti U-12 elektromagnetinė gamykla netoli Oak Ridge. Metodo idėja paremta tuo, kad sunkesnis jonas apibūdina didesnio spindulio lanką magnetiniame lauke nei mažiau sunkus. Tokiu būdu galima atskirti skirtingus to paties elemento izotopus. Darbas buvo atliktas vadovaujant ciklotrono išradėjui E. Lawrence'ui. Urano izotopų atskyrimo technologinis procesas buvo dviejų etapų ( A- ir p- stadijos). Atskyrimo bloko (kalutrono) konstrukcija buvo didelio ovalo formos, sudaryta iš 96 magnetų ir 96 priėmimo kamerų („lenktynių trasa“, t. y. lenktynių trasa). U-12 gamyklą sudarė penkios "instaliacijos (kiekvienoje iš 9 lenktynių trasų), trys "p" instaliacijos su aštuoniais hipodromais po 36 magnetus, chemijos ir kiti pagalbiniai pastatai. Calutron turėjo milžinišką elektromagnetą, kurio ilgis siekė 75 m ir svėrė apie 4000 tonų. Šio elektromagneto apvijoms panaudota keli tūkstančiai tonų sidabrinės vielos.
Kita gigantiška (4000 hektarų pastato plotas, tuo metu didžiausias pastatas pasaulyje po vienu stogu) gamykla, pastatyta Oak Ridge mieste, buvo gamykla K-25. Dujų difuzijos procesas pagrįstas molekulinės difuzijos reiškiniu. Jei per porėtą pertvarą pumpuojamas dujinis urano junginys (UFb), lengvesnės molekulės, kuriose yra 2 35 U, prasiskverbs per pertvarą greičiau nei sunkesnės molekulės, kuriose yra 2 35 U. Difuzija vyksta per pertvarą, kuri yra porėta plona metalinė membrana su keliais milijonais skylučių (skersmuo ~10-3 mm) kvadratiniame centimetre. Procesas kartojamas daug kartų ir reikalauja 3024 sodrinimo žingsnių. Iš pradžių membranos buvo pagamintos iš vario, vėliau perėjo prie nikelio. 1944 metų pavasarį prasidėjo pramoninė filtrų gamyba. Šios membranos buvo sulenktos į vamzdžius ir patalpintos į sandarią ertmę – difuzijos kamerą.
36.06 val. 1944 m. Oak Ridge buvo paleista šiluminės difuzijos gamykla 550. Skysčio šiluminės difuzijos procesas vyksta kolonoje, kuri yra ilgas (15 m aukščio) vertikalus vamzdis, aušinamas iš išorės, o viduje yra šildomas cilindras. Izotopų atskyrimo efektas tokioje kolonoje atsiranda dėl to, kad lengvesnė frakcija kaupiasi prie karšto vidinio cilindro paviršiaus ir juda aukštyn dėl konvekcijos dėsnio. Kolonos buvo išdėstytos į tris grupes. Kiekvienas iš jų turėjo 7 groteles, kurios iš viso sudarė 2142 stulpelius.
Norint pagaminti labai prisodrintą uraną pirmajai atominei bombai „Malysh“, natūralios žaliavos (0,7%) pirmiausia buvo perkeltos į dujinę fazę (UFe). Įrenginys 55o atliko pradinį sodrinimą iki 0,86% terminės difuzijos metodu. Gamykla K25šiluminės difuzijos metodas padidino sodrinimą iki 7%. Uranas virto kietu pavidalu U.F. 4, tada sodrinimas elektromagnetiniu metodu buvo padidintas iki 15%, naudojant a-kalutroną, ir galiausiai, naudojant p-kalutroną, buvo gautas UF 4, kurio sodrinimas buvo 90%, esant 2 9$i. Iš šio gaminio buvo pagamintas atominės bombos užtaisas (pabūklo grandinė).
Rusijoje pirmosios urano izotopų atskyrimo gamyklos buvo pagrįstos dujų difuzijos principu, vėliau pereita prie ultracentrifugavimo metodo.
1945 m. Verch-Neyvinske (Vidurio Uralas, Sverdlovsko sritis, dabar Novouralskas) pradėta statyti urano sodrinimo gamykla Nr. 813 (dabar Uralo elektrocheminė gamykla, UEKhK). Dujų difuzijos įrenginys D-1 su OK serijos aparatais pradėtas eksploatuoti 1949 m., D-3 su T serijos įrenginiais - 1951 m., o D-4 gamykla (atskira difuzijos kaskada, galinti savarankiškai veikti gaminanti 90 % prisodrinto urano ) – 1953 m. 1949 m. gamykla gamino labai prisodrintą (75 % 2 z$ Ts) uranas, naudojamas kaip pirmosios sovietinės plutonio atominės bombos užtaiso dalis. 1957 m. UEIP pradėjo veikti centrifugų gamykla, 1960 m. pradėta kurti pirmoji pasaulyje urano perdirbimo gamykla, pagrįsta centrifugavimo technologija, po kurios 1964 m. gamykla buvo paleista visu pajėgumu, 1980 m. komercinės eksploatacijos šeštos kartos dujų centrifugų partija. 1987 m. buvo visiškai užbaigtas pramoninės sodrinto urano gamybos dujų difuzijos etapas. 1995 m., naudojant UECC technologiją, iš likviduotų branduolinių ginklų išgaunamo labai prisodrinto urano (HEU) pramoninis perdirbimas į mažai prisodrintą uraną (LEU) atominėms elektrinėms.
Kita urano izotopų sodrinimo įmonė buvo Angarsko elektrocheminė gamykla AEKhK. Jo statyba į pietvakarius nuo Angarsko buvo pradėta 1954 m. balandžio 10 d. Ši galinga atskyrimo gamykla smarkiai padidino prisodrinto urano gamybą įmonės pramoniniame komplekse į technologinį ciklą: sublimaciją (skirta natūralaus urano perdirbimas į heksafluoridą) ir atskyrimas (sodrinto urano heksafluorido gamybai 1957 m. spalio 21 d. buvo pradėta eksploatuoti pirmoji 308 dujų difuzijos mašinų pakopa ir gautas pirmasis sodrintas uranas). 1990 m. gruodžio 14 d. įvyko dujų centrifugų, skirtų urano izotopams atskirti, bandymas. Šiuo metu pagrindinė gamyklos veikla – urano oksido oksido pavertimo urano heksafluoridu paslaugos; dėl urano tetrafluorido pavertimo urano heksafluoridu; už urano sodrinimą iš klientų tiekiamų žaliavų; sodrinto urano tiekimas heksafluorido pavidalu. Siekiant patikimai laikytis neplatinimo režimo reikalavimų, UAB AECC pagrindu buvo sukurtas pirmasis pasaulyje Tarptautinis urano sodrinimo centras ir Branduolinio kuro bankas su TATENA garantijomis.
Trečioji sodrinimo gamykla yra Sibiro chemijos kombinato (SCC), pastatyto Tomsko srityje (Seversko) šeštojo dešimtmečio pradžioje, dalis. SCC yra vienas branduolinio technologinio ciklo kompleksas, skirtas branduolinio ginklo komponentams, kurių pagrindą sudaro skiliosios medžiagos, sukurti. Izotopų atskyrimo gamykla gamina prisodrintą uraną branduolinei energijai. Iki 1973 metų buvo vykdomas dujinis difuzinis atskyrimas, vėliau – išcentrinis atskyrimas. Taip pat gaminama nemažai stabilių ksenono, alavo, seleno ir kt. izotopų Sublimuotoje gamykloje gaminami urano turintys produktai, įskaitant labai prisodrintą uraną, urano oksidą kuro strypams ir uraną izotopams sodrinti.
Ketvirtoji sodrinimo gamykla yra OJSC elektrocheminė gamykla (anksčiau Krasnojarskas-45, dabar Zelenogorskas, Krasnojarsko sritis). 30 1962-10-10 šioje įmonėje buvo pradėta eksploatuoti pirmoji urano izotopų gamybos dujų difuzijos mašinų pakopa. 1964 m. buvo įdiegta urano sodrinimo naudojant dujų centrifugas technologija. Nuo 1988 metų pagrindinis gamyklos produktas yra mažai prisodrintas uranas, naudojamas kaip kuras atominėse elektrinėse. Be to, nuo 1972 m. ECP, naudodama dujų centrifugavimo technologiją, gamina izotopinius produktus ir labai grynas medžiagas.
Šis neapsakomas pilkas cilindras yra pagrindinė Rusijos branduolinės pramonės grandis. Tai, žinoma, neatrodo labai reprezentatyviai, bet kai supranti jo paskirtį ir pažvelgi į technines charakteristikas, pradedi suprasti, kodėl jo sukūrimo ir struktūros paslaptis yra saugoma valstybės kaip akies vyzdį.
Čia yra dujų centrifuga, skirta atskirti urano izotopus VT-3F (n-oji karta). Veikimo principas elementarus, kaip pieno separatorius, veikiamas išcentrinės jėgos, atskiriamas sunkusis nuo šviesos. Taigi kokia jo reikšmė ir išskirtinumas?
Pirmiausia atsakykime į kitą klausimą – apskritai, kam atskirti uraną?
Natūralus uranas, esantis tiesiai žemėje, yra dviejų izotopų kokteilis: uranas-238 Ir uranas-235(ir 0,0054 proc. U-234).
Uranas-238– tai tiesiog sunkus, pilkas metalas. Iš jo galite pagaminti artilerijos sviedinį arba... raktų pakabuką. Bet ką galima pagaminti iš urano-235? Na, pirma, atominė bomba, antra, kuras atominėms elektrinėms. Ir čia mes pasiekiame pagrindinį klausimą – kaip atskirti šiuos du, beveik identiškus atomus, vieną nuo kito? Ne, tikrai KAIP?!
Beje: Urano atomo branduolio spindulys yra -1,5 10-8 cm.
Kad urano atomai būtų įvaryti į technologinę grandinę, jis (uranas) turi būti paverstas dujine būsena. Virinti nėra prasmės, užtenka uraną sujungti su fluoru ir gauti urano heksafluoridą HFC. Jo gamybos technologija nėra labai sudėtinga ir brangi, todėl HFC jie jį gauna ten, kur kasamas šis uranas. UF6 yra vienintelis labai lakus urano junginys (kaitinamas iki 53°C, heksafluoridas iš kietos būsenos tiesiogiai virsta dujine). Tada jis pumpuojamas į specialius konteinerius ir siunčiamas sodrinti.
UF6 yra vienintelis labai lakus urano junginys (kaitinamas iki 53°C, heksafluoridas iš kietos būsenos tiesiogiai virsta dujine). Tada jis pumpuojamas į specialius konteinerius ir siunčiamas sodrinti.
Šiek tiek istorijos
Pačioje branduolinių lenktynių pradžioje didžiausi tiek SSRS, tiek JAV mokslo protai įsisavino difuzinio atskyrimo idėją - urano perpylimą per sietą. Mažas 235-oji izotopas praslys, o „riebalai“ 238-ojiįstrigs. Be to, 1946 m. sovietinei pramonei pagaminti sietą su nano skylutėmis nebuvo pati sunkiausia užduotis.
Iš Izaoko Konstantinovičiaus Kikoino pranešimo Mokslo ir techninėje taryboje prie Liaudies komisarų tarybos (pateikta išslaptintų medžiagų apie SSRS atominį projektą rinkinyje (Red. Ryabev)): Šiuo metu jau išmokome gaminti tinklelius su skylutėmis apie 5/1000 mm, t.y. 50 kartų didesnis nei laisvas molekulių kelias esant atmosferos slėgiui. Vadinasi, dujų slėgis, kuriam esant atsiskirs izotopai ant tokių tinklelių, turi būti mažesnis nei 1/50 atmosferos slėgio. Praktikoje manome, kad dirbama maždaug 0,01 atmosferos slėgyje, t.y. esant geroms vakuumo sąlygoms. Skaičiavimai rodo, kad norint gauti produktą, praturtintą iki 90% koncentracijos lengvuoju izotopu (šios koncentracijos pakanka sprogmeniui pagaminti), reikia kaskadoje sujungti apie 2000 tokių etapų. Mūsų projektuojamoje ir iš dalies gaminamoje mašinoje per dieną numatoma pagaminti 75-100 g urano-235. Instaliaciją sudarys maždaug 80–100 „kolonų“, kurių kiekvienoje bus sumontuota 20–25 etapai.
Berijos pranešimas Stalinui apie pasirengimą pirmajam atominiam sprogimui. Žemiau pateikiama trumpa informacija apie branduolines medžiagas, pagamintas iki 1949 m. vasaros pradžios.
O dabar įsivaizduokite patys – 2000 didelių instaliacijų tik dėl 100 gramų! Na, ką su tuo daryti, mums reikia bombų. Ir jie pradėjo statyti gamyklas, ir ne tik gamyklas, bet ir ištisus miestus. Ir gerai, tik miestams, šitoms difuzinėms elektrinėms reikėjo tiek daug elektros, kad šalia teko statyti atskiras elektrines.
Nuotraukoje – pirmoji pasaulyje dujų difuzijos urano sodrinimo gamykla K-25 Oak Ridge mieste (JAV). Statybos kainavo 500 milijonų dolerių. U formos pastato ilgis siekia apie pusę mylios.
SSRS gamyklos Nr. 813 pirmasis etapas D-1 buvo suprojektuotas 140 gramų 92-93% urano-235 per dieną 2 kaskadoms po 3100 identiškų atskyrimo pakopų. Gamybai buvo skirta nebaigta statyti orlaivių gamykla Verkh-Neyvinsko kaime, 60 km nuo Sverdlovsko. Vėliau ji virto Sverdlovsko-44, o 813-oji gamykla tapo Uralo elektrochemijos gamykla – didžiausia pasaulyje atskyrimo gamykla.
Uralo elektrocheminė gamykla yra didžiausia pasaulyje atskyrimo gamykla.
Ir nors difuzinio atskyrimo technologija, nors ir su dideliais technologiniais sunkumais, buvo derinama, idėja sukurti ekonomiškesnį centrifugavimo procesą nepaliko darbotvarkės. Juk jei pavyks sukurti centrifugą, energijos sąnaudos sumažės nuo 20 iki 50 kartų!
Kaip veikia centrifuga?
Jo struktūra yra daugiau nei elementari ir atrodo kaip sena skalbimo mašina, veikianti „gręžimo/džiovinimo“ režimu. Besisukantis rotorius yra sandariame korpuse. Į šį rotorių tiekiamos dujos (UF6). Dėl išcentrinės jėgos, šimtus tūkstančių kartų didesnės už Žemės gravitacinį lauką, dujos pradeda skirstytis į „sunkiąją“ ir „lengvąją“ frakcijas. Lengvosios ir sunkiosios molekulės pradeda grupuotis skirtingose rotoriaus zonose, bet ne centre ir išilgai perimetro, o viršuje ir apačioje. Taip nutinka dėl konvekcinių srovių – įkaista rotoriaus dangtis ir atsiranda priešpriešinis dujų srautas. Cilindro viršuje ir apačioje yra sumontuoti du maži įsiurbimo vamzdeliai. Liesas mišinys patenka į apatinį vamzdelį, o mišinys su didesne atomų koncentracija patenka į viršutinį vamzdelį. 235U. Šis mišinys patenka į kitą centrifugą ir tt iki koncentracijos 235-oji uranas nepasieks norimos vertės. Centrifugų grandinė vadinama kaskadu.
Kaip veikia centrifuga?
Techninės savybės
Na, pirma, šiuolaikinės kartos centrifugų sukimosi greitis siekia 2000 aps./s (net nežinau su kuo palyginti... 10 kartų greičiau nei turbina lėktuvo variklyje)! Ir jis veikia be perstojo TRIJUS DEŠIMTMETUS! Tie. Dabar centrifugos, įjungtos Brežnevo laikais, sukasi kaskadomis! SSRS nebėra, bet jie vis sukasi ir sukasi. Nesunku suskaičiuoti, kad per savo darbo ciklą rotorius padaro 2 000 000 000 000 (du trilijonus) apsisukimų. O koks guolis tai atlaikys? Taip, jokios! Ten nėra guolių. Pats rotorius yra paprastas viršuje, jo apačioje yra stipri adata, paremta korundiniu guoliu, o viršutinis galas kabo vakuume, kurį laiko elektromagnetinis laukas. Adata taip pat nėra paprasta, pagaminta iš paprastos vielos fortepijono stygoms, grūdinta labai gudriai (kaip GT). Nesunku įsivaizduoti, kad esant tokiam pašėlusiam sukimosi greičiui, pati centrifuga turi būti ne tik patvari, bet ir itin patvari.
Akademikas Josephas Friedlanderis primena:„Jie galėjo į mane nušauti tris kartus. Kartą, kai jau buvome gavę Lenino premiją, įvyko didelė avarija, centrifugos dangtis nuskriejo. Gabalai išsibarstė ir sunaikino kitas centrifugas. Iškilo radioaktyvus debesis. Turėjome sustabdyti visą liniją – kilometrą instaliacijų! Sredmaše generolas Zverevas vadovavo centrifugoms prieš atominį projektą, jis dirbo Berijos skyriuje. Generolas susitikime sakė: „Padėtis yra kritinė, jei mes greitai nepataisysime situacijos, jums pasikartos 1937-ieji. Ir tuoj pat uždarė susirinkimą. Tada mes sugalvojome visiškai naują technologiją su visiškai izotropine vienoda dangčių struktūra, tačiau reikėjo labai sudėtingų įrengimų. Nuo tada buvo gaminami tokio tipo dangčiai. Daugiau bėdų nebuvo. Rusijoje yra 3 sodrinimo gamyklos ir šimtai tūkstančių centrifugų.
Nuotraukoje: pirmosios kartos centrifugų bandymai.
Rotoriaus korpusai iš pradžių taip pat buvo metaliniai, kol juos pakeitė... anglies pluoštas. Lengvas ir labai tempiamas, tai ideali medžiaga besisukančiam cilindrui.
UEIP generalinis direktorius (2009–2012 m.) Aleksandras Kurkinas primena:„Tai darėsi juokinga. Bandant ir tikrinant naujos, „išradingesnės“ kartos centrifugas, vienas iš darbuotojų nelaukė, kol rotorius visiškai sustos, atjungė jį nuo kaskados ir nusprendė ranka neštis į stovą. Tačiau užuot judėjęs į priekį, kad ir kaip stipriai priešinosi, jis, apkabinęs šį cilindrą, pradėjo judėti atgal. Taigi savo akimis pamatėme, kad žemė sukasi, o giroskopas yra didžiulė jėga.
Kas jį išrado?
O, tai paslaptis, apgaubta paslaptimi ir apgaubta nežinioje. Čia rasite į nelaisvę paimtus vokiečių fizikus, CŽV, SMERSH pareigūnus ir net numuštą šnipų pilotą Powersą. Apskritai dujų centrifugos veikimo principas buvo aprašytas XIX amžiaus pabaigoje.
Dar Atominio projekto aušroje Kirovo gamyklos Specialiojo projektavimo biuro inžinierius Viktoras Sergejevas pasiūlė centrifuginį atskyrimo metodą, tačiau iš pradžių kolegos jo idėjai nepritarė. Tuo pat metu mokslininkai iš nugalėjusios Vokietijos stengėsi sukurti atskyrimo centrifugą specialiame tyrimų institute-5 Sukhumi: daktaras Maxas Steenbeckas, kuris dirbo vadovaujančiu inžinieriumi Siemens valdant Hitleriui, ir buvęs Luftwaffe mechanikas, Vienos universiteto absolventas. , Gernot Zippe. Iš viso grupėje buvo apie 300 „eksportuotų“ fizikų.
Aleksejus Kalitejevskis, „Rosatom State Corporation“ CJSC „Centrotech-SPb“ generalinis direktorius, primena:„Mūsų ekspertai padarė išvadą, kad vokiška centrifuga yra visiškai netinkama pramoninei gamybai. Steenbeck aparate nebuvo sistemos, leidžiančios iš dalies prisodrintą produktą perkelti į kitą etapą. Buvo pasiūlyta atvėsinti dangčio galus ir užšaldyti dujas, o tada jas atitirpinti, surinkti ir įdėti į kitą centrifugą. Tai yra, schema neveikia. Tačiau projektas turėjo keletą labai įdomių ir neįprastų techninių sprendimų. Šie „įdomūs ir neįprasti sprendimai“ buvo derinami su sovietų mokslininkų gautais rezultatais, ypač su Viktoro Sergejevo pasiūlymais. Santykinai kalbant, mūsų kompaktiška centrifuga yra trečdalis vokiečių minties vaisius, o du trečdaliai – sovietinės. Beje, kai Sergejevas atvyko į Abchaziją ir išsakė savo mintis apie urano parinkimą tiems patiems Steenbeck ir Zippe, Steenbeckas ir Zippe atmetė jas kaip neįgyvendinamas.
Taigi, ką sugalvojo Sergejevas?
O Sergejevo pasiūlymas buvo sukurti dujų selektorių Pito vamzdžių pavidalu. Tačiau daktaras Steenbeckas, kuris, kaip jis tikėjo, šia tema sukando dantis, buvo kategoriškas: „Jie sulėtins tėkmę, sukels turbulenciją ir nebus atsiskyrimo! Po daugelio metų, kurdamas savo memuarus, jis gailėjosi: „Idėja verta mūsų! Bet man tai niekada neatėjo į galvą...“
Vėliau, būdamas už SSRS ribų, Steenbeckas su centrifugomis nebedirbo. Tačiau prieš išvykdamas į Vokietiją Gerontas Zippe turėjo galimybę susipažinti su Sergejevo centrifugos prototipu ir genialiai paprastu jos veikimo principu. Kartą Vakaruose „gudrus Zippe“, kaip dažnai buvo vadinamas, užpatentavo centrifugos konstrukciją savo vardu (1957 m. patentas Nr. 1071597, paskelbtas 13 šalių). 1957 m., persikėlęs į JAV, Zippe ten pastatė veikiančią instaliaciją, atkuriančią Sergejevo prototipą iš atminties. Ir jis pavadino ją, atiduokime duoklę, „rusiška centrifuga“.
Beje, Rusijos inžinerija pasirodė daugeliu kitų atvejų. Pavyzdys yra paprastas avarinio uždarymo vožtuvas. Nėra jutiklių, detektorių ar elektroninių grandinių. Yra tik samovarinis maišytuvas, kuris savo žiedlapiu liečia kaskados rėmą. Jei kas nors negerai ir centrifuga pakeičia savo padėtį erdvėje, ji tiesiog pasisuka ir uždaro įleidimo liniją. Tai tarsi pokštas apie amerikietišką rašiklį ir rusišką pieštuką kosmose.
Persikėlęs į JAV, Zippe ten pastatė veikiančią instaliaciją, atkurdamas Sergejevo prototipą iš atminties. Ir jis pavadino tai „rusiška centrifuga“.
Mūsų dienos
Šią savaitę šių eilučių autorius dalyvavo reikšmingame įvykyje – pagal sutartį uždarytas JAV Energetikos departamento stebėtojų biuras Rusijoje. HEU-LEU. Šis susitarimas (labai prisodrintas uranas – mažai prisodrintas uranas) buvo ir tebėra didžiausias branduolinės energetikos susitarimas tarp Rusijos ir Amerikos. Pagal sutarties sąlygas Rusijos branduolinės energetikos mokslininkai perdirbo 500 tonų mūsų ginklams tinkamo (90 %) urano į kurą (4 %) HFC, skirtą Amerikos atominėms elektrinėms. 1993-2009 metų pajamos siekė 8,8 milijardo JAV dolerių. Tai buvo logiška mūsų branduolinių mokslininkų technologinio proveržio izotopų atskyrimo srityje pokario metais rezultatas.
Centrifugų dėka gavome tūkstančius tonų palyginti pigios tiek karinės, tiek komercinės prekės. Branduolinė pramonė yra viena iš nedaugelio likusių (karinė aviacija, kosmosas), kurioje Rusija turi neabejotiną viršenybę. Vien užsienio užsakymai dešimčiai metų į priekį (nuo 2013 m. iki 2022 m.), „Rosatom“ portfelis be sutarties HEU-LEU yra 69,3 milijardo dolerių. 2011 metais ji viršijo 50 mlrd.
Radote rašybos klaidą? Pasirinkite fragmentą ir paspauskite Ctrl + Enter.
Sp-force-hide ( ekranas: nėra;).sp-forma ( ekranas: blokas; fonas: #ffffff; užpildymas: 15 pikselių; plotis: 960 pikselių; maksimalus plotis: 100 %; kraštinės spindulys: 5 pikseliai; -moz-border -spindulys: 5px; : auto;).sp-form įvestis ( ekranas: inline-block; neskaidrumas: 1; matomumas: matomas;).sp-form .sp-form-fields -wrapper ( paraštė: 0 automatinis; plotis: 930 piks.;).sp -form .sp-form-control ( fonas: #ffffff; kraštinės spalva: #cccccc; kraštinės stilius: vientisas; kraštinės plotis: 1 piks.; šrifto dydis: 15 piks.; užpildymas dešinėje: 8,75 piks.; -moz-border -spindulys: 4px; ;).sp-form .sp-field etiketė ( spalva: #444444; šrifto dydis: 13px; šrifto stilius: normalus; šrifto svoris: paryškintas;).sp-form .sp-button ( border-radius: 4px; -moz-border-radius: 4px; -webkit-border-radius: 4px; spalva: #ffffff; plotis: automatinis; šrifto svoris: 700; šrifto stilius: normalus; šriftų šeima: Arial, sans-serif;).sp-form .sp-button-container ( text-align: left;)
Izotopų atskyrimas- technologinis procesas, kurio metu atskiri šio elemento izotopai išskiriami iš medžiagos, susidedančios iš vieno cheminio elemento skirtingų izotopų mišinio. Izotopų atskyrimas visada yra susijęs su dideliais sunkumais, nes izotopai, kurie yra vieno elemento variacijos, kurių masė mažai skiriasi, chemiškai elgiasi beveik identiškai. Bet – kai kurių reakcijų greitis skiriasi priklausomai nuo elemento izotopo, be to, galima panaudoti ir jų fizikinių savybių skirtumą – pavyzdžiui, masę. Izotopų elgsenos skirtumai tokie maži, kad per vieną atskyrimo etapą medžiaga praturtėja šimtomis procentų dalimis ir atskyrimo procesą tenka kartoti dar ir dar – labai daug kartų. Tokios kaskadinės sistemos veikimui įtakos turi du veiksniai: sodrinimo laipsnis kiekviename etape ir norimo izotopo praradimas atliekų sraute.
Pagrindiniai izotopų atskyrimo metodai
Elektromagnetinis atskyrimas
Elektromagnetinio atskyrimo metodas pagrįstas skirtingu magnetinio lauko poveikiu vienodai elektriškai įkrautoms skirtingos masės dalelėms. Mašinos, vadinamos kalutronais, yra didžiuliai masės spektrometrai. Atskiriamų medžiagų jonai, judantys stipriame magnetiniame lauke, susisuka proporcingais jų masei spinduliais ir patenka į imtuvus, kuriuose kaupiasi.
Šis metodas leidžia atskirti bet kokį izotopų derinį ir turi labai aukštą atskyrimo laipsnį. Paprastai pakanka dviejų praėjimų, kad būtų pasiektas didesnis nei 80 % sodrinimo laipsnis iš liesos medžiagos (kurios pradinis norimo izotopo kiekis yra mažesnis nei 1 %). Tačiau elektromagnetinis atskyrimas prastai tinka pramoninei gamybai: dauguma medžiagų nusėda kalutrono viduje, todėl jį reikia periodiškai sustabdyti techninei priežiūrai. Kiti trūkumai yra didelis energijos suvartojimas, sudėtingumas ir didelės priežiūros išlaidos bei mažas našumas. Pagrindinė metodo taikymo sritis – nedidelių kiekių grynų izotopų gamyba laboratoriniam naudojimui.
Dujų difuzija
Šis metodas naudoja skirtingų masių dujų molekulių judėjimo greičio skirtumą. Aišku, kad jis tiks tik dujinės būsenos medžiagoms. Skirtingais molekulių judėjimo greičiais, jei priversite jas judėti per ploną vamzdelį, greitesnės ir lengvesnės aplenks sunkesnius. Norėdami tai padaryti, vamzdelis turi būti toks plonas, kad molekulės judėtų juo po vieną. Taigi, svarbiausia yra pagaminti porėtas membranas atskyrimui. Jie turi užkirsti kelią nuotėkiams ir atlaikyti per didelį slėgį.
Kai kurių lengvųjų elementų atskyrimo laipsnis gali būti gana didelis, tačiau urano – tik 1,00429 (kiekvienos pakopos išėjimo srautas prisodrintas 1,00429). Todėl dujų difuzijos sodrinimo įmonės yra ciklopinio dydžio ir susideda iš tūkstančių sodrinimo etapų.
Dujų centrifugavimas
Ši technologija pirmą kartą buvo sukurta Vokietijoje per Antrąjį pasaulinį karą, tačiau iki šeštojo dešimtmečio pradžios niekur nebuvo naudojama pramonėje. Jei dujinis izotopų mišinys perleidžiamas per didelės spartos centrifugas, išcentrinė jėga lengvesnes ar sunkesnias daleles atskirs į sluoksnius, kur jas bus galima surinkti. Didelis centrifugavimo privalumas yra tas, kad atskyrimo koeficientas priklauso nuo absoliutaus masės skirtumo, o ne nuo masės santykio. Centrifuga vienodai gerai veikia tiek su lengvaisiais, tiek su sunkiais elementais. Atskyrimo laipsnis yra proporcingas sukimosi greičio ir dujų molekulių greičio santykio kvadratui. Todėl labai patartina centrifugą sukti kuo greičiau. Tipiniai besisukančių rotorių tiesiniai greičiai yra 250–350 m/s, o pažangiose centrifugose – daugiau nei 600 m/s.
Tipiškas atskyrimo koeficientas yra 1,01 - 1,1. Palyginti su dujų difuzijos įrenginiais, šis metodas sumažino energijos sąnaudas ir lengviau padidina galią. Šiuo metu dujų centrifugavimas yra pagrindinis pramoninis izotopų atskyrimo metodas Rusijoje.
Stabilių izotopų gamintojai: „Rosatom State Corporation“ apima įmones, užsiimančias vidutinės ir sunkiosios masės izotopų, taip pat inertinių dujų izotopų pramonine gamyba. Pramoniniam izotopų atskyrimui naudojamos elektromagnetinės ir dujų centrifugos technologijos. Šios technologijos leidžia atskirti beveik visų periodinės lentelės elementų izotopus. „Rosatom State Corporation“ įmonių, naudojančių šiuos izotopų atskyrimo metodus, skaičius apima:
- Federalinės valstybinės vieningos įmonės "Electrokhimpribor" gamykla - 209 vienetai (elektromagnetinis metodas).
- OJSC Gamybos asociacijos elektrochemijos gamykla gamina 95 rūšių izotopus (dujų centrifugos metodas).
- OJSC "Sibiro chemijos gamykla" - 91 izotopų pavadinimas (dujų centrifugos metodas).
- FSUE "RFNC-VNIIEF" - 24 elementai (dujų centrifugos metodas)
Visas pasaulis su džiaugsmu sužinojo apie pirmojo sovietinio palydovo paleidimą 1957 m. spalio 4 d. O įvykis, įvykęs tų pačių metų lapkričio 4 dieną Verkh-Neyvinske, geriausioms pasaulio žvalgybos agentūroms ilgą laiką liko paslaptyje. Ten buvo paleista bandomoji gamykla, kurioje išcentriniu izotopų atskyrimo metodu buvo sodrinamas uranas.
Aleksandras Emelyanenkovas
Branduolinių ginklų kūrimo aušroje viena iš pagrindinių problemų buvo urano izotopų atskyrimas. Šis sunkusis radioaktyvus metalas gamtoje randamas kaip dviejų pagrindinių izotopų mišinys. Pagrindinė dalis (šiek tiek mažiau nei 99,3%) yra uranas-238. Lengvesnio izotopo – urano-235 – yra tik 0,7 proc., tačiau būtent šis izotopas yra būtinas branduoliniams ginklams kurti ir reaktoriams veikti.
Atskirti izotopus nėra lengva. Jų cheminės savybės yra identiškos (juk tai tas pats cheminis elementas), o atominės masės skirtumas yra kiek daugiau nei 1%, todėl fiziniai atskyrimo metodai turi būti labai selektyvūs. Šis klausimas šeštajame dešimtmetyje tapo vienu iš lemiamų momentų, nulėmusių sovietinės branduolinės pramonės sėkmę ir padėjusių pagrindą šiuolaikiniam Rusijos branduolinės pramonės konkurencingumui pasaulinėje rinkoje.
Per sietelį
Paprasčiausias atskyrimo būdas yra dujų difuzija – dujinės žaliavos (urano heksafluorido) „išspaudimas“ per smulkiai porėtą membraną, o skirtingi izotopai difunduoja per poras skirtingu greičiu. Būtent dujų difuzija tapo pirmuoju metodu, naudotu pramoniniam urano-235 kiekiui gauti pirmosiose sodrinimo gamyklose. Jungtinėse Amerikos Valstijose Manheteno projekto dujų difuzijos plėtra buvo vykdoma vadovaujant Nobelio premijos laureatui Haroldui Urey. SSRS iki 1954 metų šiai krypčiai vadovavo akademikas Borisas Konstantinovas, vėliau jį pakeitė Izaokas Kikoinas.
Iš pradžių, kaip dažnai nutinka, dujų difuzijos metodas atrodė lengviau įgyvendinamas. Tačiau tam reikėjo didelių elektros išlaidų – Sayano-Shushenskaya hidroelektrinė ir pirmasis Belojarsko atominės elektrinės etapas, kaip dabar paaiškėja, buvo pastatyti pirmiausia šiems tikslams. Be bendros didelės kainos ir mažo efektyvumo, dujų difuzijos metodas buvo nesaugus darbuotojams – daugiausia dėl aukštos temperatūros ir triukšmo dirbtuvėse. Be to, dideli kiekiai chemiškai aktyvių mišinių esant slėgiui, o tai reiškia galimą emisiją ir aplinkos taršą. Tuo tarpu alternatyva dujų difuzijos metodui žinoma jau nuo XIX amžiaus pabaigos – tai centrifuginis metodas, žadantis labai daug sutaupyti: kai 1958 metais Verch-Neyvinsko gamykla pasiekė projektinį režimą, paaiškėjo, kad energijos sąnaudos vienam atskyrimo įrenginiui buvo 20 (!) kartų mažesnės nei difuzijos būdu, o savikaina perpus mažesnė. Tiesa, kurdami centrifugas, dizaineriai susidūrė su daugybe technologinių sunkumų.
Elektromagnetinis atskyrimas. Remiantis įkrautų dalelių (jonų) judėjimu magnetiniame lauke. Priklausomai nuo dalelių masės, skiriasi jų trajektorijos kreivumas ir net nedidelis urano izotopų branduolių atominės masės skirtumas leidžia jas atskirti. Tokie įrenginiai, vadinami kalutronais, buvo naudojami Amerikos Manheteno projekte, nes jie leido per keletą kartų pasiekti labai aukštą urano sodrinimo laipsnį. Tačiau kaliutronai yra labai tūriniai, brangūs išlaikyti, sunaudoja daug energijos ir turi mažą produktyvumą, todėl šiuo metu pramoniniam urano sodrinimui nenaudojami.
Vokiškos šaknys
Sovietinės centrifugos technologijos ištakos siekia nacistinę Vokietiją, kur vykdant atominį projektą buvo atlikti urano atskyrimo eksperimentai. Vienas iš šio projekto dalyvių inžinierius fizikas Gerontas Zippe buvo tarp kitų vokiečių karo belaisvių, išsiųstų į SSRS. Vadovaujant Maxui Steenbeckui, savo tautiečiui ir uošviui, Zippe'as užsiėmė eksperimentiniais tyrimais iki 1954 m. – pirmiausia laboratorijoje „A“ Sukhumi (būsimasis Sukhumio fizikos ir technologijos institutas), o paskutinius dvejus metus. specialiame projektavimo biure Kirovo gamykloje Leningrade.
Kaip liudija tų įvykių dalyviai ir liudininkai, vokiečių mokslininkams niekada nebuvo atimta medžiaga tyrimams. Ir jų režimas buvo beveik toks pat, kaip ir mūsų slaptųjų atominių mokslininkų, kuriuos taip pat atidžiai prižiūrėjo Berijos skyrius. 1952 m. liepos mėn. specialiu vyriausybės nutarimu Steenbeckas ir jo padėjėjai buvo perkelti iš Sukhumi instituto į Leningradą, į Kirovo gamyklos projektavimo biurą. Be to, grupę sustiprino Politechnikos instituto specializuoto branduolinių tyrimų skyriaus absolventai. Buvo nustatyta užduotis pagaminti ir išbandyti du įrenginius pagal Zippe-Steenbeck schemą. Jie nekantriai kibo į verslą, tačiau jau 1953 m. pirmąjį ketvirtį darbai buvo sustabdyti prieš bandymus: paaiškėjo, kad siūloma konstrukcija netinkama masinei gamybai.
Dujų difuzija. Naudoja dujų molekulių, turinčių skirtingus urano izotopus (urano heksafluorido), judėjimo greičio skirtumą. Skirtingos masės sukelia skirtingą molekulių greitį, todėl lengvosios greičiau praeina per membraną su plonomis poromis (skersmuo panašus į molekulių dydį) greičiau nei sunkiosios. Metodas yra lengvai įgyvendinamas ir buvo naudojamas SSRS branduolinės pramonės aušroje, o JAV naudojamas iki šiol. Kiekvieno etapo sodrinimo greitis yra labai mažas, todėl reikia tūkstančių etapų. Tai lemia didžiulį energijos suvartojimą ir dideles atskyrimo išlaidas.
„Zippe“ centrifuga nebuvo pirmoji tokio tipo sovietinė mašina. Net per karą Ufoje kitas vokietis Fritzas Lange, pabėgęs iš Vokietijos 1936 m., ant guolio pagamino tūrinį aparatą. Tačiau ekspertai, susipažinę su branduolinio projekto peripetijomis SSRS ir JAV, atkreipia dėmesį į vieną besąlyginį Steenbeck grupės pasiekimą - originalų atraminio bloko dizainą: rotorius rėmėsi plienine adata, o ši adata buvo ant pagaminto guolio. itin kieto lydinio aliejaus vonioje. Ir visą šį išradingą dizainą savo vietoje laikė speciali magnetinė pakaba rotoriaus viršuje. Jo skatinimas iki veikimo greičio taip pat buvo atliktas naudojant magnetinį lauką.
Kol Steenbecko grupės projektas buvo nesėkmingas, tų pačių 1953 metų vasarį buvo pradėta eksploatuoti sovietų inžinieriaus Viktoro Sergejevo suprojektuota dujų centrifuga su standžiu rotoriu. Prieš metus Sergejevas su grupe specialistų iš specialaus Kirovo gamyklos projektavimo biuro, kuriame tada dirbo, buvo išsiųstas į Sukhumi, kad susipažintų su Steenbecko ir jo komandos eksperimentais. „Būtent tada jis uždavė Steenbeckui techninį klausimą dėl dujų mėginių ėmimo vietų Pito vamzdelių pavidalu“, – svarbias detales atskleidė Olegas Černovas, Tochmash centrifugų gamybos veteranas, gerai pažinojęs Sergejevą ir dirbęs su juo. „Klausimas buvo grynai techninis ir jame iš tikrųjų buvo užuomina, kaip padaryti centrifugos konstrukciją veiksmingą. Tačiau daktaras Steenbekas buvo kategoriškas: „Jie sulėtins srautą, sukels turbulenciją ir nebus atsiskyrimo! Po daugelio metų, kurdamas savo memuarus, jis gailėjosi: „Idėja verta mūsų! Bet man tai niekada neatėjo į galvą...“
Dujų centrifugavimas, naudojant greitai besisukantį rotorių, sukasi dujų srautą taip, kad molekulės, kuriose yra sunkesnių urano izotopų, išcentrine jėga išmetamos į išorinius kraštus, o lengvesnės – arčiau cilindro ašies. Centrifugos sujungiamos į kaskadas, tiekdamos iš dalies prisodrintą medžiagą iš kiekvienos pakopos išėjimo į kitos pakopos įvestį – taip galima gauti net labai didelio sodrinimo laipsnio uraną. Centrifugos yra lengvai prižiūrimos, patikimos ir sunaudoja nedaug energijos. Metodas naudojamas Rusijoje ir Europos šalyse.
Olego Černovo teigimu, prieš išvykdamas į Vokietiją Zippe turėjo galimybę susipažinti su Sergejevo centrifugos prototipu ir genialiai paprastu jos veikimo principu. Kartą Vakaruose „gudrus Zippe“, kaip dažnai buvo vadinamas, užpatentavo centrifugos konstrukciją 13 šalių. Aukščiausi Sovietų Sąjungos atominio skyriaus pareigūnai, sužinoję apie tokią intelektualinę apgaulę, nesukėlė triukšmo - pagal oficialią versiją, „kad nesukeltų įtarimų ir nepadidėtų JAV karinės-techninės žvalgybos susidomėjimas šia tema“. Tegul, sako, galvoja, kad sovietai tenkinasi neekonomišku dujų difuzijos metodu, kaip ir jų... 1957 m., persikėlęs į JAV, Zippe ten pastatė veikiančią instaliaciją, atgaminusią Sergejevo prototipą iš atminties. Ir jis pavadino ją „rusiška centrifuga“. Tačiau jam nepavyko sužavėti amerikiečių. Dėl naujos mašinos, kaip ir savo laiku ir pagal Steenbecko konstrukciją, buvo priimtas verdiktas: netinkamas naudoti pramonėje.
Vienos dujų centrifugos sodrinimo laipsnis yra mažas, todėl jos sujungiamos į nuoseklias kaskadas, kuriose iš kiekvienos centrifugos produkcijos sodrinta žaliava tiekiama į kitos, o išeikvota žaliava – į kitos centrifugos įvadą. įvesti vieną iš ankstesnių. Su pakankamu centrifugų skaičiumi kaskadoje galima pasiekti labai aukštus sodrinimo laipsnius.
Tiesa, po ketvirčio amžiaus Jungtinėse Valstijose pagaliau nuspręsta nuo dujų difuzijos pereiti prie centrifugų. Pirmasis bandymas nepavyko – 1985 m., kai buvo sumontuoti pirmieji 1300 Oak Ridge nacionalinėje laboratorijoje sukurtų mašinų, JAV vyriausybė šią programą uždarė. 1999 metais vėl suaktyvintoje aikštelėje Piketone (Ohajas) vėl buvo pradėti naujos kartos amerikietiškų centrifugų (10-15 kartų didesnių nei rusiškų aukščio ir 2-3 kartų skersmens) su anglies pluošto rotoriumi įrengimo darbai. Pagal planą dar 2005 m. turėjo būti įrengtos 96 kaskados po 120 „viršūnių“, tačiau iki 2012 m. pabaigos projektas vis dar nebuvo pradėtas komerciškai eksploatuoti.
Urano izotopų atskyrimas lazeriu pagrįstas tuo, kad skirtingų izotopų turinčios molekulės turi šiek tiek skirtingą sužadinimo energiją. Griežtai apibrėžto bangos ilgio lazerio spinduliu apšvitinus izotopų mišinį, galima norimu izotopu jonizuoti tik molekules, o paskui magnetiniu lauku atskirti izotopus. Yra keletas šio metodo variantų – veikiantys atominius garus AVLIS (Atominis garų lazerinis izotopų atskyrimas), SILVA (prancūziškas AVLIS analogas) ir molekulėms – MLIS (Molekulinis lazerinis izotopų atskyrimas), CRISLA (Cheminės reakcijos izotopų atskyrimas) ir SILEX ( Izotopų atskyrimas lazerio sužadinimo būdu). Šiuo metu „General Electric Corporation“ bando komercializuoti Pietų Afrikos ir Australijos specialistų sukurtą SILEX technologiją. Lazerinis atskyrimas pasižymi mažomis energijos sąnaudomis, mažomis sąnaudomis ir dideliu sodrinimo būdu (todėl jis dabar naudojamas gaminant nedidelius kiekius itin grynų izotopų), tačiau vis dar kyla problemų dėl produktyvumo, lazerio tarnavimo laiko ir prisodrintos medžiagos parinkimo nestabdant jo. procesas.
Slaptos adatos
Tuo tarpu SSRS, nepastebimome Verkh-Neyvinsko mieste Vidurio Urale, griežčiausiai slaptai buvo sumontuota pirmoji eksperimentinė atskyrimo dujų centrifugų linija. Isaacas Kikoinas dar 1942 m. aptiko Lange sukurtą dujų centrifugą ir netgi išbandė ją savo laboratorijoje Sverdlovske. Tada eksperimentai nedavė norimų rezultatų, o akademikas skeptiškai vertino pačią galimybę sukurti pramonines dujų centrifugas. Pagrindinė pačių pirmųjų įrenginių problema buvo jų trapumas. Ir nors iš pradžių jie sukosi „tik“ 10 000 apsisukimų per minutę greičiu, toli gražu nebuvo lengva susidoroti su milžiniška rotoriaus kinetine energija.
- Jūsų automobiliai naikinami! - pagrindinio skyriaus viršininkas Aleksandras Zverevas, turėjęs NKVD generolo laipsnį, sarkastiškai priekaištavo kūrėjams viename iš Vidutinių mašinų gamybos ministerijos susitikimų.
- Ko tu norėjai? Kad jie taip pat galėtų daugintis?! — drąsiai atrėžė tuo metu projektui vadovavęs vyriausiojo konstruktoriaus pavaduotojas Anatolijus Safronovas.
Taikant išcentrinio atskyrimo metodą dėl didelio sukimosi greičio sukuriama išcentrinė jėga, kuri šimtus tūkstančių kartų viršija Žemės traukos jėgą. Dėl šios priežasties sunkesnės urano-238 heksafluorido molekulės „numušamos“ besisukančio cilindro periferijoje, o lengvesnės urano-235 heksafluorido molekulės susitelkia prie rotoriaus ašies. Per atskirus išleidimo vamzdynus (pvz., Pito vamzdžius, apie kuriuos sovietų inžinierius Sergejevas kalbėjo vokiečiui Steenbeckui), dujos, kuriose yra U-238 izotopų, pašalinamos „į sąvartyną“, o prisodrinta frakcija su padidintu urano-235 kiekiu teka. į kitą centrifugą. Tokių centrifugų kaskada, kurioje yra šimtai ir tūkstančiai mašinų, leidžia greitai padidinti šviesos izotopo kiekį. Santykinai juos galima vadinti separatoriais, kuriuose urano žaliavos, paverstos dujomis (urano heksafluoridas, UF6), turinčios mažą U-235 izotopo kiekį, iš šviežio pieno konsistencijos paeiliui perkeliamos į grietinėlę ir grietinę. Ir, jei reikia, jie taip pat gali numušti „naftą“ - padidinti sodrinimą iki 45% ar net 60%, kad būtų galima naudoti kaip kurą povandeniniuose reaktoriuose ir tyrimų įrenginiuose. Ir visai neseniai, kai to prireikė dideliais kiekiais, jie suko centrifugas, kol gavo brangų „sūrį“ - ginklams skirtą uraną, kurio sodrinimas viršija 90%. Tačiau iki devintojo dešimtmečio pabaigos keturios sovietų gamyklos „atskyrė“ tiek ginklams tinkamo urano, kad jo atsargos sandėliuose ir baigtose branduolinėse galvutėse buvo laikomos per didelėmis, o labai sodrinto urano gamyba kariniams tikslams buvo sustabdyta.
Pirminiais skaičiavimais, centrifugos korpuso išorinių sienelių storis turėjo būti 70 mm – kaip tanko šarvai. Pabandykite reklamuoti tokį kolosą... Tačiau bandymų ir klaidų būdu jie rado kompromisinį sprendimą. Buvo sukurtas specialus lydinys – tvirtesnis ir lengvesnis už plieną. Šiuolaikinių centrifugų korpusai, kuriuos vienas iš autorių turėjo progą pamatyti ir laikyti rankose Vladimiro „Tochmash“ gamybos asociacijoje, nekelia jokių asociacijų su tanko šarvais: įprastos išvaizdos tuščiaviduriai cilindrai, kurių vidinis paviršius nugludintas iki šviesti. Iš tolo juos galima supainioti su vamzdžių gabalais su jungiamaisiais flanšais galuose. Ilgis - ne daugiau kaip metras, skersmuo - dvidešimt centimetrų. O Uralo elektrochemijos gamykloje iš jų buvo surinktos milžiniškos šimtų metrų ilgio kaskados. Ženklai ant sienų ir specialūs žymėjimai ant dažytų betoninių grindų technologiniuose pravažiavimuose rodo, kad čia įprasta keliauti dviračiu. Tiesa, ne greičiau nei 5-10 km/val.
O vos girdimų dūzgiančių centrifugų viduje greičiai visiškai kitokie - ant adatos su korundiniu guoliu esantis rotorius, „pakabintas“ magnetiniame lauke, daro 1500 apsisukimų per sekundę! Lyginant su pirmuoju gaminiu VT-3F, pagamintu 1960 m., jis buvo pagreitintas beveik dešimt kartų, o nenutrūkstamo veikimo laikotarpis padidintas nuo trejų metų iki 30. Turbūt sunku rasti kitą pavyzdį, kur įranga demonstruotų toks patikimumas esant tokiems kraštutiniams parametrams. Kaip sakė centrifugų gamybos vadovo pavaduotojas Valerijus Lempertas, mašinos, kurias „Tochmash“ ten tiekė prieš 30 metų, tebeveikia Novouralsko gamykloje: „Tai tikriausiai buvo trečios kartos centrifugos, o dabar masiškai gaminama aštuntoji. devintoji pradedama bandomoji gamyba“.
„Mūsų centrifugos konstrukcijoje nėra nieko pernelyg sudėtingo. Viskas apie technologijos tobulinimą iki smulkmenų ir griežtą kokybės kontrolę“, – aiškina Tatjana Sorokina, dešimtmečius „vadovavusi“ gamykloje rotoriaus atraminės adatos gamybos technologijai. — Tokios adatos daromos iš paprastos fortepijoninės vielos, iš kurios traukiamos stygos. Tačiau antgalio grūdinimo būdas yra mūsų žinios.
Smunkančiais metais vienas pagrindinių jos kūrėjų Viktoras Sergejevas paaiškino rusiškos centrifugos paslaptis. Pasak inžinieriaus Olego Černovo, saugumo tarnybų paklaustas, ką šiame gaminyje reikia saugoti ir kokia jo pagrindinė paslaptis, dizaineris atsakė lakoniškai: „Žmonės“.
Ar tiesa, jūs sakote, kad natūralaus urano niekam nereikia? Pažiūrėkime į vartojimą.
Šiuo metu pasaulyje yra paklausūs šie prisodrinto urano tipai:
- 1. Gamtinis uranas (0,712%). Sunkiojo vandens reaktoriai (PHWR), tokie kaip CANDU
- 2. Silpnai prisodrintas uranas (2-3%, 4-5%). Vanduo-grafitas-cirkonis, vanduo-vanduo-cirkonis reaktoriai, VVER, PWR, RBMK reaktoriai
- 3. Vidutiniškai prisodrintas uranas (15-25%), greitieji reaktoriai, transportiniai reaktoriai (ledlaužiai, plūduriuojančios atominės elektrinės) atominės elektrinės
- 4. Labai prisodrintas uranas (>50%), atominės elektrinės (povandeniniai laivai), tyrimų reaktoriai.
Bus straipsnis apie sodrinimo būdus.
Sodrinimo žaliava yra ne grynas metalinis uranas, o urano heksafluoridas UF 6, kuris dėl savo savybių derinio yra tinkamiausias cheminis junginys izotopams sodrinti. Chemikai pastebi, kad urano fluorinimas vyksta vertikaliame plazmos reaktoriuje.
Nepaisant sodrinimo būdų gausos, šiandien pramoniniu mastu naudojami tik du iš jų – dujų difuzija ir centrifugos. Abiem atvejais naudojamos dujos yra UF 6.
Arčiau izotopų atskyrimo reikalo. Bet kurio metodo izotopų atskyrimo efektyvumą apibūdina atskyrimo koeficientas α - „lengvojo“ izotopo dalies „produkte“ ir jo dalies pirminiame mišinyje santykis.
Daugumoje metodų α yra tik šiek tiek didesnis už vienetą, todėl norint gauti didelę izotopų koncentraciją, vieną izotopų atskyrimo operaciją reikia kartoti daug kartų (kaskadomis). Pavyzdžiui, dujų difuzijos metodui α = 1,00429, centrifugoms reikšmė stipriai priklauso nuo periferinio greičio – esant 250 m/s α = 1,026, esant 600 m/s α = 1,233. Tik su elektromagnetiniu atskyrimu α yra 10-1000 per 1 atskyrimo ciklą. Pabaigoje bus kelių parametrų palyginimo lentelė.
Visa sodrinimo mašinų kaskada visada suskirstyta į etapus. Pirmajame atskyrimo kaskados etape pradinio mišinio srautas yra padalintas į du srautus: liesą (pašalinamas iš kaskados) ir sodrinamas. Praturtintas tiekiamas į 2 etapą. 2-ajame etape vieną kartą prisodrintas srautas yra atskiriamas antrą kartą:
prisodrintas 2-osios pakopos srautas patenka į 3-ią, o jo išeikvotas srautas grįžta į ankstesnį (1-ą) ir t.t. Iš paskutinio kaskados etapo parenkamas gatavas produktas su reikiama tam tikro izotopo koncentracija.
Trumpai papasakosiu apie pagrindinius atskyrimo būdus, kurie kada nors buvo naudojami pasaulyje.
Elektromagnetinis atskyrimas
Naudojant šį metodą, galima atskirti mišinio komponentus magnetiniame lauke ir labai grynai. Elektromagnetinis atskyrimas istoriškai yra pirmasis urano izotopų atskyrimo metodas.Kadangi atskyrimas gali būti atliekamas su urano jonais, urano pavertimas UF 6 iš esmės nėra būtinas. Šis metodas užtikrina aukštą grynumą, bet mažą derlių sunaudojant daug energijos. Medžiaga, kurios izotopus reikia atskirti, dedama į jonų šaltinio tiglį, išgarinama ir jonizuojama. Jonus iš jonizacijos kameros ištraukia stiprus elektrinis laukas. Jonų pluoštas patenka į vakuuminio atskyrimo kamerą magnetiniu lauku H, nukreiptu statmenai jonų judėjimui. Dėl to jonai juda savo apskritimais skirtingais (priklausomai nuo masės) kreivio spinduliais. Tiesiog pažiūrėkite į paveikslėlį ir prisiminkite mokyklos pamokas, kur visi skaičiavome spindulį, kuriuo magnetiniame lauke skris elektronas ar protonas.
Diagrama, demonstruojanti elektromagnetinio atskyrimo principą.
Šio metodo pranašumas yra palyginti paprastos technologijos naudojimas (kalutronai: CAL ifornija U universitetas).
Jis buvo naudojamas uranui sodrinti Y-12 gamykloje (JAV), turėjo 5184 atskyrimo kameras - „kalutronus“ ir pirmą kartą leido gauti kilogramų kiekį labai sodrinto 235U - 80% ar daugiau.
Manheteno projekte kalutonai buvo naudojami po terminės difuzijos – alfa kalutronams (Y-12 gamykla) buvo tiekiama 7% žaliavos ir praturtinta iki 15%. Ginklams tinkamas uranas (iki 90 %) buvo gaminamas naudojant beta kalutronus Y-12 gamykloje. Alfa ir beta kaliutronai neturi nieko bendra su alfa ir beta dalelėmis, tai tiesiog dvi kaliutronų „eilutės“, viena skirta preliminariam sodrinimo, antroji – galutiniam sodrinimo.
Šis metodas leidžia atskirti bet kokį izotopų derinį ir turi labai aukštą atskyrimo laipsnį. Pakanka dviejų praėjimų, kad iš liesos medžiagos, kurios pradinis kiekis yra mažesnis nei 1%, sodrinti daugiau nei 80%. Produktyvumą lemia jonų srovės vertė ir jonų pagavimo efektyvumas – iki kelių gramų izotopų per dieną (visiems izotopams iš viso).
Vienas iš elektromagnetinio atskyrimo dirbtuvių Oak Ridge (JAV)
Milžiniškas alfa kalutronas iš to paties augalo
Difuzijos metodai
Pradiniam sodrinimui buvo naudojami difuzijos metodai. Kartu su elektromagnetiniu metodu jis istoriškai yra vienas pirmųjų. Difuzijos metodas paprastai reiškia dujų difuziją - kai urano heksafluoridas kaitinamas iki tam tikros temperatūros ir praleidžiamas per „sietą“ - specialiai suprojektuotą filtrą su tam tikro dydžio skylėmis.Jei dujas, sudarytas iš dviejų tipų molekulių (mūsų atveju, dviejų izotopų), praleidžiate per mažą skylę arba per tinklelį, sudarytą iš daugybės mažų skylių, paaiškėja, kad lengvesnės dujų molekulės praeina didesniais kiekiais nei sunkiosios. vieni. Svarbu pažymėti, kad šis reiškinys atsiranda tik tada, kai molekulės praeina pro skylę, joje nesusidurdamos... t.y., kai vidutinis laisvas molekulės kelias yra didesnis už skylės skersmenį. Atitinkamai, dujos, einančios pro tinklelius, yra išeikvotos šviesos molekulėse. Beveik visada per tinklelį yra atvirkštinis dujų nuotėkis, dėl kurio iš tikrųjų šviesos izotopo koncentracijos padidėjimas (sodrinimas) yra šiek tiek mažesnis.
Svarbiausia čia yra frazė apie skylių dydį. Iš pradžių tinkleliai buvo gaminami mechaniškai, niekas nežino, kaip yra dabar. Be to, medžiaga turi dirbti aukštesnėje temperatūroje, o pačios skylės neturi būti užsikimšusios, jų dydis neturi keistis veikiant korozijai ir pan. Difuzinių barjerų gamybos technologijos vis dar klasifikuojamos – tokios pat žinios kaip ir centrifugų .
Daugiau informacijos po spoileriu, iš to paties reportažo.
„Dėl Urano-235 gamybos difuzijos metodu laboratorijos Nr. 2 tyrimų ir praktinio darbo būklės“
Kuo didesnis slėgio kritimas tinkle, tuo didesnis sodrinimas. Slėgio skirtumą dažniausiai sukuria kompresorius (siurblys), kuris perkelia dujas tarp tinklelių. Tokia sistema, susidedanti iš tinklelių ir kompresoriaus, judančio dujas, yra atskyrimo pakopa
Urano heksafluoridą naudojame kaip dujas. Tai druska, kurios garų slėgis kambario temperatūroje yra gana aukštas. Kalbant apie tinklelius, reikalaujama, kad jų angos skersmuo būtų mažesnis už laisvą urano heksafluorido molekulių kelią. Pastarasis, kaip gerai žinoma, yra atvirkščiai proporcingas dujų slėgiui. Esant atmosferos slėgiui, laisvas molekulių kelias yra maždaug 1/10000 mm. Todėl, jei galėtume padaryti ploną tinklelį su skylutėmis, mažesnėmis nei 1/10 000 mm, galėtume dirbti su dujomis esant atmosferos slėgiui.
Šiuo metu jau išmokome gaminti tinklelius su skylutėmis apie 5/1000 mm, t.y. 50 kartų didesnis nei laisvas molekulių kelias esant atmosferos slėgiui. Vadinasi, dujų slėgis, kuriam esant atsiskirs izotopai ant tokių tinklelių, turi būti mažesnis nei 1/50 atmosferos slėgio. Praktikoje manome, kad dirbama maždaug 0,01 atmosferos slėgyje, t.y. esant geroms vakuumo sąlygoms. Daugkartinis dujų sodrinimas nepertraukiamo proceso metu gali būti atliekamas naudojant kaskadinę įrangą, kurią sudaro daugybė nuosekliai sujungtų pakopų. Skaičiavimai rodo, kad norint gauti produktą, praturtintą iki 90% koncentracijos lengvuoju izotopu (šios koncentracijos pakanka sprogmeniui pagaminti), reikia kaskadoje sujungti apie 2000 tokių etapų. Mūsų projektuojamoje ir iš dalies gaminamoje mašinoje per dieną numatoma pagaminti 75-100 g urano-235. Instaliaciją sudarys maždaug 80–100 „kolonų“, kurių kiekvienoje bus sumontuota 20–25 etapai. Bendras tinklelių plotas (tinklelių plotas lemia viso įrenginio našumą) bus apie 8000 m2. Bendra kompresorių sunaudota galia sieks 20 000 kW.
Be to, geras vakuumas, kuriam reikalinga gana didelė kompresorinės įrangos galia, ir didelis kiekis nuotėkio stebėjimo įrangos (kas iš esmės šiuolaikiniame pasaulyje nėra problema, bet straipsnis buvo apie įrašą -karo laikotarpis, kai visko reikėjo, iš karto ir greitai).
Jis buvo naudojamas kaip vienas pirmųjų sodrinimo etapų. Manheteno projekte K-25 gamykla uraną prisodrino nuo 0,86% iki 7%, tada žaliava buvo naudojama kaliutronams. SSRS - ilgai kenčiantis D-1 augalas, taip pat D-2 ir D-3 augalai, kurie po jo ir t.t.
Taip pat „difuzijos“ atskyrimo metodas kartais suprantamas kaip skysčio difuzija - taip pat tik skystoje fazėje. Fizinis principas yra tas, kad lengvesnės molekulės susirenka karštesnėje vietoje. Paprastai atskyrimo kolona susideda iš dviejų bendraašių vamzdžių, kuriuose palaikoma skirtinga temperatūra. Tarp jų įvedamas atskiriamas mišinys. Temperatūros skirtumas ΔТ lemia konvekcinių vertikalių srautų atsiradimą, o tarp vamzdžių paviršių susidaro difuzinis izotopų srautas, dėl kurio atsiranda izotopų koncentracijų skirtumas kolonėlės skerspjūvyje. Dėl to lengvesni izotopai kaupiasi prie karšto vidinio vamzdžio paviršiaus ir juda aukštyn. Šiluminės difuzijos metodas leidžia atskirti izotopus tiek dujinėje, tiek skystoje fazėje.
Manheteno projekte tai S-50 gamykla – ji prisodrino natūralų uraną iki 0,86 proc., t.y. padidino penktojo urano sodrinimą tik 1,2 karto. SSRS skysčių difuzijos darbus pokario laikotarpiu atliko Radžio institutas, tačiau ši kryptis nebuvo vystoma.
Dujų difuzinių izotopų atskyrimo mašinų kaskados.
Parašai ant patento – F. Simonas, K. Fuchsas, R. Peierlsas.
Aerodinaminis atskyrimas
Aerodinaminis atskyrimas – tai savotiškas centrifugavimas, tačiau užuot sukasi dujas, jos sukasi specialiame antgalyje. Vietoj tūkstančio žodžių – žiūrėkite paveikslėlį, vadinamąjį. „Becker antgalis“, skirtas aerodinaminiam urano izotopų (vandenilio ir urano heksafluorido mišinio) atskyrimui esant sumažintam slėgiui. Urano heksafluoridas yra labai sunkios dujos, dėl kurių susidėvi mažos purkštukų dalys (žr. skalę), o aukšto slėgio vietose (pavyzdžiui, antgalio įleidimo angoje) gali virsti kietu pavidalu, todėl heksafluoridas praskiedžiamas. su vandeniliu. Akivaizdu, kad esant 4% žaliavos dujose ir net esant žemam slėgiui, šio metodo efektyvumas nėra didelis. Šis metodas buvo sukurtas Pietų Afrikoje ir Vokietijoje.
Viskas, ką reikia žinoti apie aerodinaminį atskyrimą, yra šiame paveikslėlyje
Injektorių parinktys
Dujų centrifugavimas
Tikriausiai kiekvienas žmogus (o juo labiau geikas!), bent kartą girdėjęs apie branduolinę energiją, bombas ir sodrinimą, bendrai žino, kas yra centrifuga, kaip ji veikia ir kad joje yra daug sunkumų, paslapčių ir žinių. tokių įrenginių konstrukcija. Todėl apie dujų centrifugavimą pasakysiu tik keletą žodžių. Tačiau, tiesą sakant, dujų centrifugos turi labai turtingą kūrimo istoriją ir nusipelno atskiro straipsnio.Veikimo principas yra atskyrimas dėl išcentrinių jėgų, priklausančių nuo absoliutaus masės skirtumo. Sukant (iki 1000 aps., periferinis greitis - 100 - 600 m/s) sunkesnės molekulės iškeliauja į periferiją, lengvesnės - centre (prie rotoriaus). Šis metodas šiuo metu yra produktyviausias ir pigiausias (remiantis $/EPP kaina).
Google gausu scheminių centrifugos įrenginio nuotraukų, tik pateiksiu porą nuotraukų, kaip atrodo surinkta kaskada. Tokioje patalpoje, beje, gana karšta – ten esantis urano heksafosforidas toli gražu nėra kambario temperatūros, o visą šią kaskadą taip pat reikia atvėsinti.
URENCO centrifugų kaskada. Didelis, apie 3 metrų aukščio.
Yra ir mažesnių, maždaug pusės metro. Mūsų namiškiai.
Norėdami suprasti mastą arba kas yra „parduotuvė nuo horizonto iki horizonto“.
Lazerio sodrinimas
Fizinis sodrinimo lazeriu principas yra tas, kad skirtingų izotopų atominės energijos lygiai šiek tiek skiriasi.Šiuo efektu galima atskirti U-235 nuo U-238 tiek atominėje formoje – AVLIS, tiek molekulinėje – MLIS.
Metodas naudoja urano garus ir lazerius, kurie yra tiksliai sureguliuoti pagal konkretų bangos ilgį, jaudinančius būtent 235-ojo urano atomus. Tada jonizuoti atomai pašalinami iš mišinio elektriniu arba magnetiniu lauku.
Technologija labai paprasta ir, paprastai kalbant, nereikia jokių itin sudėtingų mechaninių įrenginių, tokių kaip difuzijos tinkleliai ar centrifugos, yra viena problema.
2012 m. rugsėjį „Global Laser Enrichment LLC“ (GLE), „General Electric“, „Hitachi“ ir „Cameco“ konsorciumas, gavo JAV branduolinio reguliavimo komisijos (NRC) licenciją statyti iki 6 mln. SWU talpos lazerinio atskyrimo gamyklą. esamos bendros GE, Toshiba ir Hitachi kuro gamintojo įmonės vieta Vilmingtone, Šiaurės Karolinoje. Planuojamas sodrinimas iki 8 proc. Tačiau licencijavimas buvo sustabdytas dėl technologijų plitimo problemų. Šiuolaikinėms sodrinimo technologijoms (difuzijai ir centrifugavimui) reikalinga speciali įranga, tokia ypatinga, kad paprastai, jei pageidaujama, stebint tarptautines sutartis galima netiesiogiai numanyti, kas „tyliai“ (be TATENA žinios) sodrins uraną ar atliks. dirbti šia kryptimi. Ir toks stebėjimas iš tikrųjų yra vykdomas. Jei lazerinio sodrinimo metodas įrodys savo paprastumą ir efektyvumą, darbas su ginkluotuoju uranu gali būti pradėtas ten, kur jo tikrai nereikia. Todėl kol kas lazerinis metodas gniuždomas.
Lazeriniai metodai taip pat gali apimti molekulinį metodą, pagrįstą tuo, kad infraraudonųjų arba ultravioletinių dažnių metu įvyksta selektyvi infraraudonųjų spindulių spektro absorbcija dujomis 235 UF 6, o tai vėliau leidžia naudoti sužadintų molekulių disociacijos arba cheminio atskyrimo metodą.
Santykinis U-235 kiekis gali būti padidintas jau pirmajame etape. Taigi, vieno praėjimo pakanka, kad branduoliniams reaktoriams būtų užtikrintas pakankamas urano sodrinimas.
„Molekulinio“ metodo su cheminiu atskyrimu paaiškinimas.
Lazerio sodrinimo privalumai:
- Elektros sąnaudos: 20 kartų mažiau nei difuzijai.
- Kaskados: kaskadų skaičius (nuo 0,7% iki 3-5% U-235) yra mažesnis nei 100, palyginti su 150 000 centrifugų.
- Gamyklos kaina yra žymiai mažesnė.
- Ekologiškumas: vietoj urano heksafluorido naudojamas mažiau pavojingas urano metalas.
- Gamtinio urano poreikis yra 30% mažesnis.
- 30 % mažiau atliekų saugojimo (sandėliavimo iškrovimo).
Įvairių metodų veikimo palyginimas
Urano sodrinimas Rusijoje
Šiuo metu Rusijoje veikia keturios perdirbimo įmonės:- UAB "Angarsko elektrolizės chemijos gamykla" (Angarskas, Irkutsko sritis),
- UAB "PO "Elektrochemijos gamykla" (Zelenogorskas, Krasnojarsko sritis),
- UAB "Ural elektrocheminė gamykla" (Novouralskas, Sverdlovsko sritis),
- UAB "Sibiro chemijos gamykla" (Severskas, Tomsko sritis).
Už 2000 m Sodrinimo pajėgumai Rusijoje pasiskirsto taip: 40% - vidaus reikmėms, 13% - perdirbti užsienio vartotojų atliekų sąvartynus, 30% - perdirbti HEU ir LEU ir 17% - išoriniams užsakymams. Visa tai yra taikus atomas. Sodrinto urano gamyba kariniams tikslams buvo nutraukta nuo 1989 m. Iki 2004 m 170 t (iš ~500 t) HEU (labai prisodrinto urano) buvo perdirbta pagal HEU-LEU susitarimą.
Tai viskas. Ačiū už dėmesį.
