Изотопный "бильярд"
Тема разделения изотопов, не сказать, чтоб уж совсем скучная, но на первые полосы новостных изданий попадает редко. Оно и понятно, если что новое и происходит, то оно либо загрифовано, либо интересно только узким специалистам. Несколько спасает положение Ахмадинежад, который свой уран обогащает-обогащает, да все никак обогатить не может.
И тут сидим мы, значит, чаи гоняем с производственными соседями,
и в разгар обеденного перерыва врывается на огонек наш хороший знакомый Дмитрий и начинает разгонять обеденную истому.
«Всё! - Дима швыряет на стол планшетку с открытым nature.com - все пропало! Они теперь уран у себя в гараже разделять будут! И куда спрашивается, пойдем мы? В ж…?!» Удовлетворившись произведённым эффектом, Дмитрий Владимирович отбывает в сторону кофеварки.
Краем глаза читаю открытую статью - «The price of progress». В лиде английским по белому написано: «Новая методика обогащения урана, одобренная Комиссией по ядерному регулированию США, может нанести удар по режиму нераспространения ядерного оружия». Что ж, неплохая тема, для послеобеденной беседы.
Для начала небольшой ввод в тему, что там за новая методика, и чему сокрушался Дмитрий Владимирович .
Сама индустрия разделения изотопов урана как отрасль народного хозяйства зародилась в сороковые годы прошлого века и существовала исключительно в интересах военных и политиков. В начале ядерной гонки вопрос себестоимости «продукта» конечно стоял в повестке дня, но не на первом плане. С развитием атомной энергетики стоимость обогащенного урана уже стала весьма значимым фактором. Настолько значимым, что даже ввели специальную единицу измерения - ЕРР (единица работы разделения. Грамм U235, полученного на американском газодиффузионном заводе, стоит гораздо дороже российского, полученного центрифужным методом. Как результат - обладая более эффективной технологией обогащения урана, Россия держит львиную долю мирового рынка топлива для АЭС, и продает его тем же американцам. Подробно об этом читайте в статье «Ядерный волчок».
Вообще, способов получения обогащенного урана масса: это и центрифуга, и диффузия, и электромагнитное разделение, и даже аэродинамическая сепарация. Есть еще лазерное разделение, которое по эффективности (теоритически) оставляет далеко позади все существующие технологии. Методы лазерного разделения изотопов подразделяются на атомарные - AVLIS (Atomic Vapor Laser Isotope Separation), SILVA (французский аналог AVLIS) и молекулярные - MLIS (Molecular Laser IsotopeSeparation), CRISLA (Chemical Reaction sotope Separation), SILEX (Separation of Isotopes by Laser EXcitation) в зависимости от объекта воздействия - атомный пар или молекулы. Но это все сухая теория, а если привлечь ассоциативное мышление, то ЛРИ можно представить своеобразной игрой в бильярд. На столе в хаотичном порядке стоят разноцветные шары (атомы). И не просто стоят, а хорошо так к сукну приклеены. И вот у вас есть чудо кий, ударом которого вы можете выбивать шары нужного вам цвета. Они слетают со своих мест и начинают активно кататься по столу. В реальности почти то же самое, только вместо кия используется лазерный луч определенной частоты. Говоря по - научному, лазерное излучение нужных частот может селективно возбудить, а затем ионизировать или диссоциировать атомы или молекулы, содержащие целевой изотоп.
Понимая ее перспективность, этой темой активно занимались все: СССР, США, Франция, Китай, и даже Иран. Кто-то не потянул технологически, а кто-то забросил разработки, подсчитав, во что это выльется в финансовом плане. И вот тут такая новость - американцы строят лазерный завод! И мы можем понять обеспокоенность Дмитрия Владимировича. Как же так, мы всей Страной Советов горбатились, инфраструктуру центрифужного обогащения налаживали, революционные решения - инновации внедряли, и тут бац, скоро ураном буду торговать по цене кока-колы на вынос.
А так что же придумали американцы?
Американцы, как это часто случалось, придумали ничего. Технология SILEX обязана своим рождениям атомщикам из ЮАР. Но в 1988 году южноафриканцы решили стать безъядерной державой, и эту технологию перекупили австралийцы. И уж только потом, когда стало понятно, что у SILEX могут появиться коммерческие перспективы, к делу подсоединились американцы.
SILEX базируется на следующих основных принципах. Гексафторид урана в виде газа подается в специальную камеру. Луч углекислотного лазера (CO2 лазер) с изначальной длиной волны 10,6 микрона проходит через водородную ячейку Рамана (емкость, содержащая параводород под высоким давлением), получая на выходе длину волны в 16 мкн. Лазер с длиной волны 16 мкн. селективно возбуждает молекулы 235UF6. Результатом лазерного возбуждения является разделение материала на два потока - продукт (вещество, обогащенное по изотопу U235) и хвосты (вещество, обедненное по изотопу U235).
- Ну, эти «танцы с бубнами» мы наблюдаем, дай Бог памяти, с начала двухтысячных - я решил добавить здорового скепсиса в разговор, - ведь само соглашение между SILEX и General Electric о коммерциализации этой технологии, дай Бог памяти, было подписано еще в мае 2006-го. И зачем после этого вбухивать три миллиарда долларов в центрифужный завод в Пайктоне? Еще один момент. В 13 году заканчивается ВОУ-НОУ, а это значит (пока не заключат новый контракт) брешь в несколько миллионов ЕРР в американской энергетике. И тут же на сцену выходит URENCO c предложением «а давайте мы вам еще один центрифужный завод построим». Ну, не совпадение ли? И что скажет наш научно-конструкторский центр ? - делаю я пас на противоположный конец стола.
- Научно-конструкторская мысль тоже считает, что все это не от хорошей жизни, - Сергей Геннадьевич с хрустом раздавил в ладони сушку, - на картинке все это выглядит привлекательно, да. Хотя, на мой взгляд, есть несколько «узких мест». Если применить озвученную аналогию с бильярдом, то мало выбить шары с места, важно, чтобы они еще и в лузу попали, т.е. изотопы надо как-то осадить. Ладно осадить, нужно их потом из этой камеры достать, не прерывая процесса. И второе, ресурс лазеров тоже не безграничный, и стоят они недешево. В СССР эти технологии вполне успешно начали осваивать еще в 70- годы прошлого века, а в 90-е даже воплотили в «железе». Установка называется «Талисман», ее, кстати, в 2006-м модернизировали. Мощность ее лазера на парах меди конечно небольшая, всего 300 Вт., но ведь работает же.
А в Калининграде для нужд медицины тоже вполне успешно получают изотоп углерода 12 (на фото). Пусть немного, но это полноценное производство. Построены еще «Фотон-М», «Луч», существует программа «Мцири» и еще кое-что. Все это есть, но работает-то центрифуга! В свое время наша центральная заводская лаборатория и опытный цех УЭХК получили от Четвёртого главного управления (МинСредМаш прим. ред.) задание по молекулярному методу лазерного разделения изотопов. Но наши оценки показали, что эти методы не конкурентоспособны по сравнению с центрифугами. Даже сам г-н Соловьев (Соловьев Г.Н. советник генерального директора по науке и развитию ОАО «Уральский электрохимический комбинат», К.Т.Н. - 1972 г., Лауреат Государственной премии РФ - 2000 г. Прим. ред.) говаривал - нельзя сбрасывать со счетов следующий факт: центрифуга крутится 30 лет, а лазерные устройства, которые известны сегодня и которые обладают нужным диапазоном волн, имеют ресурс в пределах года, может, чуть больше. Постоянная замена основных фондов сильно подрывает экономику. Вот ещё один момент. В центрифуге разделение идёт при давлении ниже атмосферного, это примерно десятки миллиметров ртутного столба, то есть вещество достаточно плотное. А чтобы работать с лазером, надо очень разреженный поток вещества иметь, иначе излучение будет поглощаться на раннем этапе. С этим тоже связаны определённые технологические сложности. Так что, думаю, в ближайшие 20 - 30 лет лазер центрифугам не конкурент. Хотя, если так и будем сидеть, чаи гонять, то не все так радужно будет. Так что, дорогие друзья, пятые точки свои подняли, и по рабочим местам.
Сергей Геннадьевич встал из-за стола, подавая личный пример. Пока все расходились, звенели чашками и двигали стулья, ко мне подошёл Дмитрий и заговорщицким тоном пробубнил:
- Вообще ощущение складывается, что суета с SILEX в США имеет определенную связь с их «Программой научного поддержания ядерного арсенала». По ней в районе 2020-2030 года должно происходить масштабное переобновление плутониевых инициаторов (pits) имеющегося термоядерного оружия.
- Ну, и?..
- Нет, ну посуди сам, срок большинства из имеющихся плутониевых инициаторов подошел к предельному, 40-50 лет. Считается, что плутоний оружейного качества (WGPu) с долей 239Pu около 94% после 45 лет из-за газового и радиационного распухания сильно теряет взрывные свойства. А вот боезарядов на плутонии супер оружейного качества (super-WGPu) с долей 239Pu около 98% и эксплуатационным сроком плутониевого ядра в 55-60 лет немного, в основном, это лодочные МБР Трайденты-2 D5…
Так что, SILEX вполне удобный вариант получить высокообогащенный 239Pu (>99.5%) у которого эксплуатационный срок плутониевого ядра для термоядерных беоприпасов будет оценочно около 80-90 лет. Только тссс… Никому!
- Хорошо, - согласился я, - все равно ничего не понял. Значит, будет чем занять следующий обеденный перерыв.