Газовая центрифуга — устройство для разделения (сепарации) газов с разными молекулярными массами.
Наиболее известны газовые центрифуги для разделения изотопов, в первую очередь подразумевается современный способ обогащения урана изотопом 235U для ядерной энергетики и ядерного оружия. Перед обогащением природная смесь изотопов урана переводится в газообразную фазу в виде гексафторида урана.
Высокая степень разделения достигается использованием множества отдельных газовых центрифуг, собранных в каскад, что позволяет последовательно достичь более высокого обогащения урана-235 при значительно меньших энергетических затратах по сравнению с диффузионным каскадным процессом разделения изотопов, используемым ранее. Газоцентрифужная технология представляет сегодня самый экономичный способ разделения изотопов уранаВОЗМОЖНОСТИ РЫНКА ПО ОБОГАЩЕНИЮ УРАНА ., использует значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеет множество других преимуществ.
История
В 1919 году Линдеман и Астон предложили использовать центрифугу для разделения изотопов.F. A. Lindemann and F. W. Aston, The possibility of separating isotopes, Philos. Mag., 1919, 37, p. 523. Первое практическое разделение изотопов центрифугированием проведено в 1936 году.J. W. Beams and F. B. Haynes, The Separation of Isotopes by Centrifuging, Phys. Rev., 1936, 50, pp. 491—492. Однако технологическая сложность оптимизации центрифужной технологии привели к предпочтению газодиффузионной технологии. В СССР в 1940 году сотрудниками УФТИ Ф. Ланге, В. А. Масловым и В. С. Шпинелем была подана заявка на «Способ приготовления урановой смеси, обогащённой ураном с массовым числом 235. Многокамерная центрифуга», на которую выдано авторское свидетельство № 6359с.Знание—сила : «ЗС» — online На основе этих идей в 1942—1943 годах в Уфе Ланге построил и испытал многокамерную экспериментальную центрифугу.«Уфимский след советской атомной бомбы» «Атомный проект СССР. К 60-летию создания ядерного щита России». Выставки. Архивы России
В СССР в 1946—1952 гг. центрифугами занималась группа «трофейных» немецких учёных под руководством Др. Макса Штеенбека, перемещённых НКВД в 1945 году в НИИ-5 в Сухуми.. Об условиях работы в те годы в Сухуми и достижениях по созданию к 1952 году работающего стенда газовой центрифуги, подробно описано в воспоминаниях Н. Ф. Лазарева, который в те годы, будучи техником в группе Штеенбека, тесно работал с доктором Гернотом Циппе В январе 1951 года результаты работ по развитию газовой центрифуги были доложены на заседании Технического совета, а в сентябре 1952 года часть группы Штеенбека была переведена из Сухуми в Ленинград, на ОКБ Кировского завода. В 1953 группа была отстранена от дальнейшего участия в этих работах и в 1956 году учёные возвратились в Германию. Воспоминания об этих работах можно также найти у профессора П. Е. Суетина (впоследствии ректора Уральского университета (1976—1993)). В 1952 году он был аспирантом Е. М. Каменева.
К. Стеенбек — разрабатывал в какой-то мере противоположную идею. Он решил создать очень длинную центрифугу (около 300 см), поскольку её разделительная способность пропорциональна длине. Ротор центрифуги представлял собой полтора десятка отрезков тонкостенной трубы, соединённых гибкими сильфонами. Центрифуга поддерживалась в вертикальном положении магнитом в её верхней части, а низ ротора опирался на гибкую иглу, вращающуюся вместе с ротором в неподвижном подшипнике, погружённом в масло и связанным с демпфером, гасящим колебания ротора. В натуре я эту машину не видел, но в 1952 г. подробно познакомился с научным отчётом её автора, Стеенбека. Основным недостатком центрифуги являлся трудный запуск, так как при переходе через последовательную серию критических оборотов её нужно было поддерживать системой роликов, возвращающих ротор к оси вращения. Да и после достижения рабочих оборотов случайные возмущения легко выводили её из устойчивого вращения. Главной счастливой находкой Стеенбека стала гибкая игла.
К 1952 году лаборатория И. К. Кикоина Института атомной энергии закончила научную разработку газодиффузионных методов изотопного разделения и занялась газовыми центрифугами. Наиболее активным энтузиастом центрифуг был кандидат физ-мат. наук Евгений Михайлович Каменев, который и возглавил экспериментальные работы по технической реализации этой идеи. В том же году было переориентировано на создание центрифуг занимавшееся ранее газодиффузионными установками ОКБ при Кировском заводе (главный конструктор ОКБ Н. М. Синев). Огромная скорость вращения ротора, составляющая 90 тыс. оборотов в минуту, породила новую проблему — текучесть металла. Эту проблему решила группа специалистов под руководством Иосифа Фридляндера, создавшая новый алюминиевый сплав В96ц.ЗАО «Центротех-СПб»Живая история атомной отрасли | Машиностроение | Сергеев
В 1955—1957 годах на Кировском заводе изготовили первые партии опытных центрифуг. 4.11.1957 года на УЭХК был пущен первый опытный завод центрифужного разделения изотопов. В 2013 году на том же заводе заработала первая установка с российскими центрифугами 9-го поколения.
В странах западной Европы устройство газовой центрифуги было запатентовано в 1957 году бывшими сотрудниками Макса Штеенбека инженерами Гернотом Циппе и Р. Шеффелем.От первого лица — Интервью от 2003 года Др. Г.Циппе профессору Университета Вирджиния «Об истории создания газовой центрифуги»http://isis-online.org/conferences/detail/gas-centrifuge-development-a-conversation-with-gernot-zippe/23 Права на конструкцию получила компания URENCO.
Устройство газовой центрифуги
Важнейшим элементом газовой центрифуги является так называемый ротор — цилиндр (труба), вращающийся в специальном вакуумированном кожухе с огромной скоростью. При увеличении оборотов ротор последовательно проходит частоты, на которых возникают резонансные колебания, обусловленные механическими свойствами вращающейся системы. Центрифуга, работающая на частоте вращения ротора выше резонансной, называется надкритической, ниже — подкритической. Рабочим веществом является газообразное соединение природного урана гексафторид урана, получаемой из природной закиси-окиси урана(U3O8) или тетрафторида урана(UF4). UF6 подаётся в центрифугу через трубопровод питания и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 м/с и более) газ концентрируется у его стенки. У оси ротора образуется разреженная зона с более лёгкой фракцией. Эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция обеспечивается созданием осевого температурного градиента за счёт внешнего источника тепла. При циркуляции наибольшая разность в концентрации лёгкого и тяжёлого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги — нижней и верхней соответственно. Обогащённая лёгким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника в выходной трубопровод. Тяжёлая фракция — отвал (или хвост) отбирается.
Наиболее секретными элементами и определяющими для работы центрифуги устройствами были и остаются: нижняя опора ротора, магнитный подшипник, двигатель и др., что представляет собой определённое ноу-хау и запатентовано в различных патентах. Первый такой патент принадлежит сотрудникам группы Др. Макса Штеенбека, которые впервые предложили самостабилизирущую подвижную нижнюю опору, магнитный привод и молекулярный вакуумный насос.G. ZIPPE, R. SCHEFFEL, M. STEENBECK, DT 1071593 (1957) Параметрами, влияющими на разделительную способность центрифуги, являются её геометрические размеры (длина ротора: около 1 метра у российских подкритических газовых центрифуг, до 7-12 метров у URENCO и США; диаметр), скорость вращения ротора, а также наличие циркуляции газа в осевом направлении. Развитие оптимальных размеров ротора и других элементов отдельной газовой центрифуги остаётся актуальной научной и технической проблемой для увеличения к.п.д. и уменьшения стоимости газоцентрифужной технологии с использованием каскадов газовых центрифуг.
Теория газовых центрифуг Первые попытки построить математическую модель газовой центрифуги были предприняты в Великобритании в начале 1940-х годов. Фрэнс Саймон, Рудольф Пайерлс, Карл Фукс и Николас Курти разработали общую теорию разделения изотопов, а Поль Дирак на основе этой теории вывел выражение для разделительной характеристики
где — плотность, умноженная на коэффициент самодиффузии (это произведение остаётся постоянной величиной для данного газа), — длина ротора, — разность масс двух изотопов, подлежащих разделению, — газовая постоянная, — температура, а — тангенциальная скорость внутренней поверхности ротора.
Соотношение Дирака правильно ориентирует разработчика на увеличение периферической скорости, снижение температуры и удлинение ротора, однако оно не учитывает некоторые процессы, происходящие с газом внутри ротора, в результате чего даёт завышенные результаты. Например, реально разделительная характеристика пропорциональна квадрату тангенциальной скорости.
В настоящее время для оценки разделительной характеристики используется следующая полуэмпирическая формула, предполагающая Т = 310 К и типовые характеристики циркуляции газа в центрифуге:
где — безразмерная экспериментальная эффективность, δU выражено в кг⋅ЕРР/год, остальные величины — в СИ. Экспериментальная эффективность для ранних центрифуг лежит в пределах 0,35-0,45; для центрифуг, находящихся в промышленной эксплуатации — 0,50-0,60; для наиболее продвинутых конструкций центрифуг 0,8-1,14.
Современное состояние газоцентрифужной технологии
В настоящее время в мире имеется четыре основных фирмы, занимающиеся обогащением урана. ТВЭЛ — российская компания (подразделение ГК «Росатом», сбыт на мировом рынке осуществляется через Техснабэкспорт (TENEX)). Использует советско-российские газоцентрифужные технологии. URENCO — совместная (англо-голландская-немецкая) со штаб квартирой в Великобритании. Использует газоцентрифужную технологию, основанную на патенте Циппе. Areva — французская Areva купила 50 % URENCO, инвестировала более трёх миллиардов евро в последние годы в новый завод Georges Besse II. Новый завод работает с апреля 2011, мощность более 1,5 млн ЕРР в год, в 2016 году он начал работать с полной производственной мощностью 7,5 млн ЕРР в год. USEC — американская обогатительная компания. Проводила разработки центрифужных технологий и в середине 80-х годов неудачно строила демонстрационное предприятие на 1500 центрифуг, практически сразу же закрытоеИстория американских центрифуг . В 2013 году запустила новый демонстрационный центрифужный каскад, получила лицензии, однако приступить к постройке полноценного производства не смогла.
В настоящее время производятся или разрабатываются несколько типов центрифуг: ВПО «Точмаш», с 2007 года Ковровский механический завод производит малопроизводительные надёжные центрифуги (длина ротора 90 см, производительность 4-8 ЕРР в год), гарантия до 15-30 лет. URENCO делает центрифуги с длиной ротора 365 см и производительностью 40-80 ЕРР в год. USEC пытаются наладить производство центрифуг с длиной ротора 1310 см и производительностью 340 ЕРР в годПрограмма «Американская центрифуга» . К началу 2014 года смонтирован и испытан один обогатительный каскад из 120 центрифуг. США испытывают сильные трудности с освоением технологии газовой центрифуги. В феврале 2017 года объявлено, что газоцентрифужный завод в Пайктоне, штат Огайо (США) прекращает работу. Раньше прекратили производство заводы в Падьюке, штат Кентукки (2013) и в Портсмуте, штат Огайо (2001)
Газоцентрифужные технологии в России Обогащение урана в России осуществляется на четырёх крупных обогатительных комплексах: Oleg Bukharin. Understanding Russia’s Uranium Enrichment Complex . Science and Global Security, 12:193-218, 2004, ISSN: 0892-9882 print, DOI: 10.1080/08929880490521546. Русский перевод: часть 1 , часть 2 . Уральский электрохимический комбинат (УЭХК) в Новоуральске;