Приключения немецкого обедненного гексафторида урана в России. Часть 1. История и технологии обогащения

Уже почти два месяца Гринпис и экологи-активисты ведут кампанию по запрету ввоза в Россию обедненного гексафторида урана (ОГФУ) из Германии. Я уже высказывался об этой истории в самом ее начале: В Россию начали завозить радиоактивные отходы из Европы? Разбираемся ^[1]. За прошедшее время пришлось несколько раз выступать в СМИ на эту тему (тут вот подборка этих записей ^[2]), поучаствовать в публичном обсуждении в Новоуральске ^[3], а также в очной публичной дискуссии ^[4] с одним из главных оппонентов ввоза. А на прошлой неделе я побывал в пресс-туре и на самом комбинате УЭХК в Новоуральске, куда и везут ОГФУ.

Газовые центрифуги на УЭХК — крупнейшем в мире комбинате по обогащению урана

Так что за это время я постарался не только глубже вникнуть в матчасть вопроса, а она огромна и интересна, и я изучил далеко не все, так постараюсь дополнять материалы по мере углубления, но и успел погрузиться в общественный контекст проблемы. Давайте попробуем разобраться в этом всем по порядку и начнем с исторического обзора технологий обогащения урана.

Вместо введения

Для начала пару слов о ядерной физике. Как известно, уран используется в качестве топлива для атомных станций и начинки для ядерного оружия. Природный уран состоит из нескольких изотопов. Изотопы — это атомы одного химического элемента, отличающиеся массой ядра. Природный уран состоит на 0,711% из изотопа U-235, а на 99,28% из U-238, ну и на 0,01 % из U-234, но о нем сильно позже. Химически они совершенно одинаковы, но ядерные свойства у них разные. Для использования в большинстве атомных реакторов АЭС необходимо увеличить долю урана-235 до 4-5%, а для ядерного оружия и до 90%.

Увеличение в уране доли изотопа уран-235 называют обогащением. Процесс этот не стоит путать с обогащением руды, поскольку тут речь идет не о выделении какого-то химического элемента из пустой породы, например, урана из руды, где его обычно около 1%, а о разделении атомов одного и того же химического элемента. Поэтому этот процесс еще называют процессом разделения изотопов. Понятно, что задачка эта будет посложнее, ведь химические методы тут не работают. Нужно придумать что-то, что учитывает лишь разницу масс ядер, которая для изотопов урана 235 и 238 составляет всего около 1,5%. Непростая задачка.

Зачем нужен гексафторид урана

Существуют разные методы разделения изотопов, но два наиболее производительных и получивших исторически большее распространение (диффузионный и центрифужный), предполагают использование в качестве рабочей среды газа. А единственное легко летучее химическое соединение урана — это его соединение с фтором — гексафторид урана (ГФУ, UF6). При атмосферном давлении и до 56 C это твердое вещество, но при нагревании он переходит из твердого состояния в газ минуя жидкость. К тому же фтор имеет лишь один стабильный изотоп, поэтому отличие молекул UF6 по массе определяется исключительно изотопом урана. При этом его тройная точка (где он в твердом, жидком и газообразном виде одновременно) имеет не очень высокую температуру и давление, т.е. переводить его в разные фазовые состояния не очень сложно, а для промышленного применения это важно.

Фазовая диаграмма гексафторида урана (ГФУ, или UF6). Фото автора, снято на УЭХК.

Чтобы понять место гексафторида урана в атомной энергетике и ядерно-топливном цикле, давайте посмотрим на схему ниже. Она большая, но не пугайтесь. Нам надо отметить лишь 4 пункта в левом верхнем углу и два крайних, на которых гексафторид появляется и исчезает. На самом деле он исчезает еще и в самом левом-верхнем квадрате, при хранении, но об этом позже. При этом надо понимать что сам уран никуда не исчезает, просто переводится из одних химических соединений в другие (из оксидов в фтроиды и обратно). Небольшая часть урана как элемента исчезает лишь в ядерном реакторе после деления и других ядерных реакций.

Схема топливного цикла. Гексафторид урана появляется только для обогащения урана. До и после этой стадии уран присутствует в других химических формах. Источник. ^[5]

Прежде чем из урана сделают топливо для АЭС, его надо добыть (из шахты, почвы или, как может быть в будущем, из морской воды), затем перевести в форму оксидов, затем отправить на специальные конверсионные комбинаты (например, в Северске или Ангарске), где его уже переведут в форму гексафторида (ГФУ) природного урана. Затем этот ГФУ отправляют на обогатительные комбинаты (в России их четыре — самый крупный в Новоуральске, и 3 в Сибири — в Северске, Ангарске и Зеленогорске), где образуется два продукта — обогащенный гексафторид урана, который направляют на заводы по изготовлению топлива (в Новосибирске и Электростали, или сразу в форме ГФУ за границу зарубежным заказчикам), и обедненный гексафторид урана, который направляют на хранилища при обогатительных комбинатах. Так что гексафторид урана — это тот уран, который еще не был в реакторе. Хотя есть и такие варианты, но встречаются они гораздо реже.

Немного истории технологий обогащения урана

Исторически такая масштабная задачка как промышленное обогащение урана впервые встала перед создателями атомного оружия. Альтернативой была наработка плутония, и ее даже быстрее освоили (о том на чем его нарабатывали я писал ранее ^[6]). Тогда вопрос надо было решить быстро и любой ценой. Экспериментировали и в США и в СССР с разными методами — и с газовой диффузией, и с электромагнитными методами и с центрифугами. Причем, их комбинировали.

Уран для первой атомной бомбы, сброшенной на Японию, американцы наработали на электромагнитной установке Y-12 ^[7], где используется принцип различия траекторий ионов разной массы, движущихся в магнитном поле. В СССР аналогичный метод внедряли на установке СУ-20 ^[8] в городе Лесной (Тогда город Свердловск-45, тоже в Свердловской области). Но этот метод позволял работать лишь с небольшими объемами материала и доводить обогащение с 75% до необходимых 90-94%. А перед этим обогащение проводили на диффузионных машинах. Они были более производительным и пригодным для промышленного обогащения больших объемов урана.

Атомная бомба «Малыш», сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, имела в качестве «взрывчатки» 64 кг урана, обогащенного электромагнитным методом и методом газовой диффузии. СССР свою первую урановую бомбу взорвал в 1951, через два года после плутониевой. Источник ^[9]

Основа диффузионного метода заключается в различии средних скоростей тяжелых и легких молекул при прохождении (диффузии) сквозь пористые тела — мембраны. Это означает, что лёгкие молекулы проходят через поры легче и быстрее, поэтому после мембраны газ получается более обогащенным легкими атомами.

Макет первой газодиффузионной машины в СССР ОК-150, с которой и начался Уральский электрохимический комбинат — УЭХК, но тогда просто завод 813 в закрытом городе Свердловск-44, ныне Новоуральск. Фото из музея УЭХК. Справа компрессор, а вот вертикальный цилиндр слева — как раз блок с сетчатым фильтром, через который и диффундирует гексафторид урана

В разделении изотопов важно понимать пару вещей. Во-первых, каждая отдельная установка проводит обогащение на очень незначительную величину. В газе на выходе лишь немного больше молекул с U-235 по сравнению с тем, что было на входе (на десятые доли процента). Поэтому приходится объединять сотни и тысячи машины в так называемые каскады, через которые газ проходит, постепенно обогащаясь до нужной величины. Первый газодиффузионный завод Д-1 в СССР (№813, будущий УЭХК) имел в 1948 году в своем составе 3000 машин ОК-150.

Каскады диффузионных машин на УЭХК. Фото стендов музея УЭХК.

Во-вторых, это очень энергозатратное удовольствие. И количество машин, и их мощные компрессоры, необходимые для прокачивания газа через фильтры, требовали огромного количества электроэнергии. Комбинат рос, к заводу Д-1 добавлялись заводы Д-2, Д-3 и Д-4. К 1953 году на УЭХК работало около 15 тыс. диффузионных машин ^[8], а потребляемая мощность составляла 250 МВт. К 1958-му, с пуском Д-5, потребление выросло до 800 МВт мощности или около 7
млрд кВтч/год. В 1950-е СССР добавил к Уральскому комбинату еще три завода в по обогащению урана в Сибири: Ангарский электролизный химический комбинат (АЭХК, г. Ангарск, Иркутская область), Электрохимический завод (ЭХЗ, г. Зеленогорск, Красноярский край) и Сибирский химический комбинат (СХК, г. Северск, Томская область). К концу 1950-х до 3% всей электроэнергии СССР ^[8] шло на обогащение урана. В то же время в США, до конца Холодной войны использовавших для атомной гонки и наработки топлива для АЭС (которых у них до сих пор больше чем у кого-либо) наиболее энергозатратную технологию диффузии, на обогащение уходилодо 7% всей электроэнергии ^[10].

Это, конечно, создавало проблемы (приходилось строить мощные электростанции, например крупные гидроэлектростанции в Сибири) и отчасти выдавало такие комбинаты. Существует интересная история о том ^[11], как в 1958 году по фотографии схемы электросетей Уральского региона, опубликованной в журнале Огонек, аналитики ЦРУ вычислили мощность и расположение комбината УЭХК.

То самое фото из журнала Огонек, по которому ЦРУ (кроме прочих источников) изучало атомную промышленность на Урале. Источник ^[11].

В США были построены три газодиффузионных завода — первый в Ок-Ридже (уже закрыт), затем в Портсмуте и в Падьюке. В Англии с 1956 г. заработал газодиффузионный завод в Кэйпенхерсте. Во Франции с 1964 года — в Пьерлатте, затем более производительный завод в Трикастене. С 1960 года, при помощи СССР, работал газодиффузионный завод в Китае, вблизи Ханьчжоу.

Газовые центрифуги

Машины первых поколений сменялись более современными агрегатами, но к тому моменту как в Европе запускались первые газодиффузионные заводы, в СССР уже начинался переход к принципиально иной технологии обогащения, ставшей на текущий момент основной — технологии газовых центрифуг.

Что же из себя представляет центрифуга и как она работает? Принцип простой — газ очень быстро раскручивается в центрифуге, и за счет центробежного ускорения более тяжелые молекулы будут скапливаться у периферии, а ближе к центру будет больше легких. В теории все просто. А на практике нужны огромные скорости, новые прочнейшие материалы, электродвигатели, подшипники, хитрые системы снижения трения, подвода и отвода газа, не нарушающие работу центрифуги… Короче, с самого начала атомных проектов эту идею рассматривали и у нас и в США, но на практике реализовать ее оказалось куда сложнее, чем построить атомный реактор. Поэтому в США ее отбросили, тем более что неплохо со своей задачей справлялись и диффузионные машины. А в СССР на диффузии не остановились и довели до ума немецкие идеи.

Да, именно немецкие. Это направление развивалось в СССР после войны благодаря немецким военнопленным инженерам Циппе и Штеебеку. Они работали в Лаборатории «А» в Сухуми (будущий Сухумский физико-технический институт), а затем конструкторском бюро на Кировском заводе в Ленинграде. Но идеи активно перенимали и дорабатывали (например систему отбора газа) наши специалисты, в первую очередь Виктор Сергеев. В итоге в середине 1950-х немцы вернулись в Германию (Штеебек в ГДР, Циппе в ФРГ, где затем запатентовал «русскую центрифугу»), а Сергеев довел до работоспособной конструкции и серийного запуска первые русские центрифуги в СССР. Немцы вернулись на родину, а после этого в 1957 году на УЭХК запустили сначала опытный участок, а в 1962 — первый в мире завод по обогащению урана на основе газовых центрифуг. Подробнее об истории центрифуг можно почитать тут ^[12]. Ну или тут ^[13].

Устройство центрифуги. Слева схема из статьи Популярной механики ^[12]. Справа — разрез центрифуги из музея УЭХК.

Вот они, каскады газовых центрифуг 6-го поколения на УЭХК в цехе 53. Каждая высотой не более метра, вращается со скоростью более 1500 об в секунду и работает так до 30 лет… Компактные размеры по сравнению с диффузионными машинами позволяют собирать их в целые секции и размещать даже в несколько ярусов в высоту. Цветные трубы — это подвод и отвод гексафторида. Желтая — исходный продукт, красная — обедненный, синяя — обогащенный.

Оптимально соединить центрифуги, как впрочем и диффузионные машины, это отдельная наука. Теория каскадов называется. В свое время над ней величайшие умы трудились, включая Нобелевских лауреатов Ричарда Фейнмана и Поля Дирака в США, Кикоина, Соболева и других в СССР.

Сотни тысяч центрифуг, собранных в многоярусные секции на протяжении почти 2 километров — это только один цех комбината №53...

А это я с коллегой Алисой Мучник на фоне каскадов. Заметьте, никаких средств защиты у нас нет, не смотря на то, что в центрифугах тот самый ядовитый гексафторид в самой подвижной газообразной форме. Просто, во-первых, конструкция центрифуги рассчитана, что даже в случае поломки и разрушения от огромной скорости ее ротора, прочный внешний корпус уцелеет. А во-вторых, в случае разгерметизации корпуса выброса ГФУ наружу не будет, а будет наоборот подсос внутрь, т.к. ротор вращается в вакууме. Фото Доната Сорокина ^[14].

Тем не менее, для контроля правильности работы этого огромного количества центрифуг на каждой установлен датчик съема параметров (оборотов в первую очередь) — черный с белым проводом на фото.

Зачем же было переходить на центрифуги? Все просто — энергопотребление центрифуги почти в 50 раз меньше, чем у диффузионной машины. И это у первых поколений. А их в СССР/России за 60 лет сменилось уже 9, и каждое новое поколение центрифуг становилось еще производительнее, экономичнее, надежнее.

Поколения газовых центрифуг и их параметры. Источник ^[15].

С 1992 года Россия закрыла последние мощности диффузионного обогащения, полностью перейдя на центрифуги. Хотя небольшая секция диффузионных машин на УЭХК осталась и работает до сих пор как фильтр для отсеивания примесей входящего продукта. Производительность центрифуг 9 поколения в 14 раз выше, чем у первого поколения, а себестоимость работы разделения в 10 раз меньше. УЭХК стал крупнейшим в мире заводом по разделению изотопов урана (20% мировых мощностей).

В принципе, лучше один раз увидеть, чем много раз прочитать. Поэтому рекомендую посмотреть видеосюжет о российских газовых центрифугах, где это наглядно показано:

Отмечу, что производительность устройств для обогащения измеряется в ЕРР (единицы работы разделения). Это довольно непросто вычисляемая величина, но она важна для понимания объемов рынка и производительности. Например, мощность одной отечественной центрифуги составляла около 0,4 ЕРР в год для первых поколений, и выросла до 4-8 ЕРР в год для современных устройств. А общая мощность УЭХК — более 10 млн ЕРР в год (почти 20% всех мировых мощностей обогащения).

Кстати, а сколько же энергии потребляет крупнейший в мире разделительный завод в Новоуральске? И стоит ли вообще овчинка выделки? Ответ можно найти в их годовом экологическом отчете ^[16] — около 1 млрд кВт*ч в год. Т.е. средняя потребляемая мощность около 115 МВт. Кажется что это очень много, тем более что это уже с использованием наименее энергозатратных центрифуг (страшно представить потребление диффузионного завода такой же мощности). Однако надо понимать, что это крупнейший в мире подобный завод. И обогащение — это самая энергозатратная часть топливного цикла (та часть, которая отвечает за выбросы CO2 «атомного» электричества). Приняв, грубо, что он дает до 20% топлива для АЭС мира (хотя реально наверно меньше), которые вырабатывают в год 2562 ТВт*ч электроэнергии (т.е. 2 562 000 млрд кВт*ч) ^[17], получаем, что ядерное топливо дает в миллионы раз больше энергии, чем надо для получения топлива. Такая вот концентрация энергии в атоме.

Немного личного

У нас на Урале расположены не только 5 из 10 закрытых «атомных» городов, в которых расположены ключевые комбинаты ядерно-топливного цикла, включая крупнейший в мире комбинат по обогащению урана — УЭХК. На Физтехе УПИ ^[18] в Екатеринбурге еще и готовят специалистов-атомщиков, в т.ч. для работ по обогащению урана. Этим занимаются на кафедре технической физики ^[19] (тогда молекулярной физики), которую я оканчивал. Я, правда, учился на другой специальности, и изучал ядерные реакторы. А вот моя будущая жена, и нынешний директор УЭХК Андрей Белоусов (правда на 30 лет раньше нас), учились как раз разделению изотопов ^[20]. Был и у меня для ознакомления один спецкурс по теории каскадов — форма допуска, сброшюрованные тетради с конспектами, которыми можно пользоваться только в закрытой части факультета… Секретность и коммерческая тайна, как она есть. И ведь что интересно, когда студенты физтеха в начале 2000-х слушали про диффузионные машины исключительно как про часть истории, за границей на них еще вовсю обогащали уран…

А что на западе?

После «отбывания срока» в СССР в 1956 году инженер Гернот Циппе вернулся на запад, в ФРГ, где решил продолжить работы по центрифугам. Его пригласили в США, где до того так и не смогли решить ряд технических проблем устройств, а Циппе помог воссоздать наработки, сделанные в СССР. Однако американцы пошли немного другим путем. Они пытались создать более крупные и мощные единичные экземпляры центрифуг, в то время когда у нас было много более простых и надежных, пусть и менее производительных. Дело в том, что производительность центрифуги зависит от отношения ее высоты к диаметру. Русская центрифуга около 1 м в высоту и до 20 см в диаметре, американцы пытались сделать гигантов до 12 м высотой и 0,6 м в диаметре, пусть и в сотни раз производительнее российских. Однако все попытки создания американских центрифуг оборачивались провалом (модели SET I, II и II в 1985 ^[21], в 2009 году ^[22]) не смотря на многомиллиардные вложения, проект был свернут. До закрытия по экономическим причинам в 2013 ^[23] единственный американский завод по обогащению урана в Падьюке мощностью до 5 млн ЕРР (половина УЭХК) работал по диффузионной технологии, потребляя в пике до 3000 МВт электроэнергии…

12 метровые американские центрифуги. Источник ^[24]

Зато в Европе все шло гораздо лучше. Циппе вернулся туда из США, а в 1970-м была создана компания URENCO ^[25], которая собралась заниматься обогащением урана на коммерческой основе для мирных целей (т.е. в основном для топлива АЭС, а не для оружия) по центрифужной технологии на основе патента Циппе. Эти центрифуги тоже крупнее российских, но меньше американских — около 3,65 м в высоту и производительностью 40-80 ЕРР ^[21]. В 1977 году URENCO открывает заводы в Нидерландах (г. Алмело) и Великобритании (г. Капенхерст), в 1985 в Германии (тот самый завод в Гронау, откуда сейчас везут ОГФУ и вокруг которого так много шума), а в 2010 открыла единственный ныне работающий обогатительный завод на территории в США, в Нью Мексико.

Завод URENCO в Гронау, Германия. Справа видна площадка с хранилищем ГФУ (и сырьем и ОГФУ). Источник ^[26].

В итоге на текущий момент URENCO — вторая после Росатома (точнее его дочерней топливной компании ТВЭЛ и экспортного Техснабэкспорта, он же TENEX) компания по мощности обогатительных заводов в мире. Обогащением также занимается Франция (завод Georges Besse, по технологии URENCO), Китай (на основе наших центрифуг) и несколько других стран, но их вклад существенно меньше:

Мировые мощности по разделению изотопов урана в тысячах ЕРР — по странам и заводам. Взято отсюда ^[21], на основе данных WNA ^[10].

Но о том когда и как мы с европейцами поделили мировой рынок обогащения, зачем ввозим их обедненный гексафторид урана к нам, как его используют в мире и у нас и является ли он отходом — в следующей части.

Надеюсь успеть написать ее и третью часть (про безопасность и протесты) до нового года.

Автор: Дмитрий Горчаков

Источник ^[27]