Долог путь урана

05.09.14 09:01

Комбинат: вчера и сегодня

Начало истории УЭХК явилось отголоском американских ядерных бомбардировок японских городов: в декабре 1945 г. площадка авиазавода легких сплавов была отдана под комбинат по производству высокообогащенного урана для советских атомных бомб. Строительство в послевоенные годы шло трудно, затем начались технологические проблемы с оборудованием: коррозия газодиффузионных машин «съедала» весь рабочий газ. Первая продукция весом в 341 г была получена 11 ноября 1949 г. – эта дата стала днем рождения УЭХК. И только третья из испытанных советских атомных бомб содержала начинку из высокообогащенного урана-235 (ее предшественницы РДС-1 и РДС-2 были плутониевые). Именно ее в 1951 г. впервые сбросили с бомбардировщика Ту-4.

Однако использовавшаяся в то время газодиффузионная технология разделения урана, помимо ряда сложностей в разработке фильтров, имела весьма существенный недостаток — колоссальную энергоемкость. По некоторым оценкам, комбинат в ту пору потреблял порядка 3% всей электроэнергии, вырабатывавшейся в стране. Состязаться в гонке вооружений, имея столь дорогостоящую обогатительную технологию (а для ядерного оружия требовалось обогащение свыше 90%) было нереально. Поэтому на УЭХК впервые в мире освоили сначала в опытных, а затем и в промышленных масштабах более эффективную технологию — газоцентрифужную, которая на несколько порядков снизила энергопотребление производства.

Сегодня большая часть продукции комбината (порядка 85%) идет на экспорт в США, Европу, Корею, Японию, Китай... УЭХК работает как на импортном сырье (например, из Казахстана), так и на отечественном. Комбинат поставляет обогащенный уран, пригодный для фабрикации топлива АЭС с реакторами на тепловых нейтронах.

Помимо обогащения урана в производстве топлива для АЭС, УЭХК занимается и другими работами. Среди наиболее известных — недавно завершившаяся 20-летняя программа «ВОУ-НОУ, или мегатонны в мегаватты» (уменьшение обогащения оружейного урана до уровня топливного). А кроме того, разработка и производство эталонных образцов изотопного состава урана для науки, промышленности и обороны, систем контроля и т.д.

 

Звено длинной цепочки

Кажется удивительным, что производственные мощности и вся инфраструктура, связанная с подготовкой топлива для атомной энергетики, в нашей стране хаотично разбросана по весьма удаленным друг от друга регионам. Видимо, в СССР были какие-то свои причины для такого причудливого размещения предприятий.

Основная масса урановой руды добывается в Казахстане, из нее изготавливается концентрат и поставляется в сибирские Томск или Ангарск. Здесь сырье очищается и переводится в гексафторид урана с природным содержанием 0,7% изотопа U-235. В таком виде оно и приходит в Новоуральск. После обогащения до 4% продукт идет на заводы в г. Электросталь (Московской обл.) или в г. Новосибирск. И только там происходит фабрикация топлива: сырье переводят в двуокись урана, из которой делают «таблетки», собирают их в трубки, а трубки вставляют в шестигранник. На выходе получается топливная сборка для атомных станций — ТВЭЛ.

Перевозки урана между городами выполняются железнодорожным транспортом, для этой цели на УЭХК есть собственный подвижной состав.

 

Внутри центрифуги

Обогащение урана производится путем разделения смеси его изотопов: более тяжелый U-238 отбрасывается, а более легкий U-235 идет на следующий этап, и постепенно его концентрация в продукте повышается. Поскольку разница их атомного веса всего в три единички, каждая центрифуга способна повысить концентрацию изотопа лишь на ничтожно малую долю процента. Поэтому центрифуги работают огромными каскадами — десятками тысяч штук, пройдя через которые, продукт получит требуемый процент обогащения по U-235. Чтобы вместить весь каскад центрифуг, на УЭХК один из цехов имеет протяженность около километра, и персонал ездит по нему на велосипедах, причем с ограничением скорости, чтобы случайно не повредить действующее оборудование.

Центрифуга представляет собой корпус с вакуумом, в котором находится легкий пустотелый металлический цилиндр — ротор. В ротор центрифуги подводится сырье, и в результате центробежной силы более тяжелый изотоп оттесняется к периферии, а более легкий собирается у сердцевины. С помощью молекулярных насосов осуществляется их движение по вертикали, после чего скопившийся внизу обедненный продукт отводится, а обогащенный из верхней части передается на следующую центрифугу — и так десятки тысяч раз подряд.

В нижней части ротор опирается на тонкую корундовую иглу, а сверху подвешивается в магнитном поле, которое облегчает его давление на иглу. Конструкционные сложности обусловлены тем, что центрифуга вращается с фантастической скоростью — до 1500 оборотов в секунду. Даже если отключить электропривод, она будет вращаться по инерции еще очень долго.

Впрочем, центрифуги никто не останавливает в течение всего срока службы — а это 30 и более лет. Самыми надежными считаются машины 6-го поколения, у которых вероятность выхода из строя составляет всего 0,01% в год. Чтобы добиться таких показателей по надежности, центрифуги данного поколения прошли 8 итераций.

Сегодня ведется работа по усовершенствованию машин, прошедших пока 4 итерации — это первые российские надкритические центрифуги. Это означает, что колебания ротора при его разгоне проходят точку резонансной частоты. Такие центрифуги обладают большей производительностью.

 

На пути к потребителю

Каскад центрифуг организован таким образом, что позволяет обеспечивать разную степень обогащения урана. Существует несколько точек отбора готового продукта — в каждой из них он обладает несколько разными свойствами. Соответственно точка отбора варьируется, в зависимости от требований заказчиков. 

Процесс загрузки сырья и отправки обогащенного продукта тоже своеобразен. Гексафторид урана поступает на УЭХК в бочкообразных контейнерах в твердом виде. При нагревании он превращается в газ, и в таком состоянии «путешествует» по каскадам центрифуг. На выходе, чтобы закачать продукт в контейнер, его нужно из газа сначала превратить в жидкость — это достигается при определенных давлении и температуре. Остывая в контейнере, продукт вновь становится твердым, и уже в таком виде транспортируется потребителям.

Несмотря на не очень большие размеры, вес «бочки» с ураном достигает 15 т, поэтому для его перемещений используется очень мощный автопогрузчик со специальным захватом, такие машины здесь называют «Кальмарами». Конструкция контейнеров обеспечивает экологическую безопасность: радиационный фон на комбинате соответствует естественному (0,05-0,06 мкЗв/ч), и лишь в непосредственной близости от контейнера он немного повышается до 0,3 мкЗв/ч (для сравнения: в горных районах не редкость природный фон до 0,7 мкЗв/ч).

Таможенный контроль продукции проводится непосредственно на складе УЭХК, о чем свидетельствует зеленая, знакомая по аэропортам табличка. Это позволяет контейнерам с ураном без задержек двигаться за рубеж.

На сегодняшний день продукция УЭХК пользуется хорошим спросом как в России, так и за рубежом. Так, по итогам прошлого года комбинат получил чистую прибыль в размере 3,5 млрд руб. На вопрос, кто может стать покупателем редкого и опасного товара, на предприятии отвечают: мы не продаем уран, мы оказываем услугу по его обогащению.

 

Роман Топорков, Кира Патракова

Фото авторов

Читайте также: