Годы и фантастические затраты понадобились, чтобы научиться разделять изотопы одного из самых тяжелых металлов
В представленном недавно очередном ежеквартальном отчете МАГАТЭ по иранской ядерной проблеме сообщается, что укрепленный подземный обогатительный завод в Фордо получил два новых каскада усовершенствованных центрифуг – по 174 в каждом. Всего на данном объекте планируется разметить 3000 центрифуг для обогащения урана. В предыдущем отчете МАГАТЭ, опубликованном в мае, сообщалось, что в Фордо уже установлены 1064 центрифуги, 696 из которых к моменту публикации документа работали на полную мощность. Так передают российские информагентства.
Однако зарубежные информагентства, в частности Reuters, со ссылкой на тот же отчет МАГАТЭ приводит более душераздирающую цитату: «Количество центрифуг для обогащения урана в комплексе Форду, расположенных в глубине горы, возросло с 1064 до 2140 штук».
Возможно, эксперты МАГАТЭ сами запутались в цифрах. Во всяком случае, они не мешают политикам и СМИ пугать население разными цифрами, якобы показывающими стремление Ирана соорудить атомную бомбу или ракетную боеголовку. И уже снова пошли подсчеты, сколько тонн урана обогатил Иран и через сколько месяцев наделает из него бомб. Но все помалкивают, что на центрифужных обогатительных заводах получают вовсе не обогащенный уран. На выходе там имеют газообразный гексафторид урана. А из газа бомбу не сделать.
Ураносодержащий газ приходится везти на другое предприятие. В Иране производственные линии по деконверсии гексафторида урана расположены на заводе UCF в Исфахане. Там уже успешно проводят деконверсию гексафторида, обогащенного до 5%. Но в результате получают опять-таки не уран, а диоксид урана UO2. Из него бомбу тоже сделать нельзя. Зато как раз из него изготавливают топливные таблетки, из которых набирают стержни для реакторов АЭС. Производство топливных элементов находится там же в Исфахане на заводе FMP.
Чтобы получить металлический уран, на диоксид урана при температуре от 430 до 600 градусов воздействуют газообразным фтористым водородом. В результате получается, конечно же, не уран, а тетрафторид UF4. И уже из него восстанавливают металлический уран при помощи кальция или магния. Владеет ли Иран этими технологиями, неизвестно. Вероятнее всего, нет.
Однако ключевой технологией получения ядерного оружия считается именно обогащение урана до 90%. Без этого все прочие технологии значения не имеют. Зато имеет значение производительность газовых центрифуг, технологические потери сырья, надежность оборудования и еще целый ряд факторов, о которых молчит Иран, молчит МАГАТЭ, молчат разведки разных стран
Поэтому есть смысл подробнее разобраться с процессом обогащения урана. Посмотреть на историю вопроса. Постараться понять, откуда в Иране появились центрифуги, что они из себя представляют. И почему Иран сумел наладить центрифужное обогащение, а Соединенные Штаты, потратив миллиарды долларов, так и не смогли этого добиться. В США уран по госконтрактам обогащают на газодиффузионных заводах, что во много раз дороже.
Раскрученное производство
В природном уране-238 содержится всего 0,7% радиоактивного изотопа уран-235, а для постройки атомной бомбы необходимо содержание урана-235 в 90%. Вот почему технологии получения расщепляющихся материалов являются главным этапом в создании атомного оружия.
Каким способом можно выделить более легкие атомы урана-235 из массы урана-238? Ведь разница между ними всего три «атомные единички». Существует четыре основных метода разделения (обогащения): магнитная сепарация, газодиффузионный метод, центрифужный и лазерный. Самый рациональный и дешевый – центрифужный. На единицу продукции ему надо в 50 раз меньше электроэнергии, чем при газодиффузионном способе обогащения.
Внутри центрифуги с невероятной скоростью вращается ротор – стакан, в который поступает газ. Центробежная сила отжимает к стенкам более тяжелую фракцию, содержащую уран-238. Более легкие молекулы уран-235 собираются ближе к оси. Кроме того, особым способом внутри ротора создается противоток. Благодаря этому более легкие молекулы собираются внизу, а тяжелые вверху. В стакан ротора на разную глубину опущены трубки. По одной более легкая фракция перекачивается в следующую центрифугу. По другой обедненный гексафторид урана откачивается в «хвост» или «отвал», то есть изымается из процесса, закачивается в специальные емкости и отправляется на хранение. В сущности, это отходы, радиоактивность которых ниже, чем у природного урана.
Одна из технологических хитростей – температурный режим. Гексафторид урана становится газом при температуре свыше 56,5 градусов. Для эффективного разделения изотопов в центрифугах поддерживается определенная температура. Какая? Информация засекречена. Так же как информация о давлении газа внутри центрифуг.
При снижении температуры гексафторид сжижается, а затем и вовсе «засыхает» – переходит в твердое состояние. Поэтому бочки с «хвостами» хранят на открытых площадках. Ведь здесь они никогда не нагреются до 56,5 градуса. И даже если пробить в бочке дыру, газ из нее не улетучится. В худшем случае высыплется немного желтого порошка, если у кого-то хватит сил опрокинуть емкость объемом 2,5 куб. м.
Высота русской центрифуги примерно 1 метр. Они собраны в каскады по 20 штук. В цехе располагаются в три яруса. Всего в цехе 700 000 центрифуг. Дежурный инженер ездит вдоль ярусов на велосипеде. Гексафторид урана в процессе разделения, который политики и СМИ называют обогащением, проходит всю цепочку из сотен тысяч центрифуг. Роторы центрифуг вращаются со скоростью 1500 оборотов в секунду. Да, да, полторы тысячи оборотов в секунду, а не минуту. Для сравнения: скорость вращения современных бормашин – 500, максимум 600 оборотов в секунду. При этом на российских заводах роторы крутятся непрерывно 30 лет. Рекорд – более 32 лет. Фантастическая надежность! Наработка на отказ – 0,1%. Один отказ на 1 тыс. центрифуг в год.
По причине сверхнадежности у нас только в 2012 году началась замена центрифуг пятого и шестого поколений на аппараты девятого поколения. Потому что от добра добра не ищут. Но они уже отработали три десятилетия, пора уступить место более производительным. Старые центрифуги вращались на подкритичных скоростях, то есть ниже той скорости, при которой они могут пойти вразнос. А вот аппараты девятого поколения работают на надкритичных оборотах – проходят опасную черту и дальше работают устойчиво. Никакой информации о новых центрифугах нет, фотографировать их запрещено, чтобы не расшифровать габариты. Можно только предполагать, что они имеют традиционный метровый размер и скорость вращения порядка 2000 оборотов в секунду.
Ни один подшипник таких скоростей не выдержит. Поэтому ротор оканчивается иглой, которая опирается на корундовый подпятник. А верхняя часть вращается в постоянном магнитном поле, вообще ни с чем не соприкасаясь. И даже при землетрясении не случится биения ротора с разрушением. Проверено.
К сведению: российский низкообогащенный уран для топливных элементов реакторов АЭС в три раза дешевле того, что вырабатывается на зарубежных газодиффузионных заводах. Речь о стоимости, а не о себестоимости.
600 мегаватт за килограмм
Когда во время Второй мировой войны США приступили к программе создания атомной бомбы, центрифужный метод разделения изотопов был выбран как наиболее обещающий успех способ наработки высокообогащенного урана. Но технологические проблемы преодолеть не удалось. И американцы с раздражением объявили центрифугирование невозможным. И во всем мире так считали, пока не уразумели, что в Советском Союзе центрифуги крутятся, да еще как крутятся.
В США, когда отказались от центрифуг, было решено использовать для получения урана-235 метод газовой диффузии. Он основан на свойстве молекул газов с разным удельным весом по-разному диффундировать (проникать) сквозь пористые перегородки (фильтры). Гексафторид урана прогоняется последовательно через длинный каскад диффузионных ступеней. Более мелкие молекулы урана-235 легче просачиваются сквозь фильтры, их концентрация в общей массе газа постепенно возрастает. Понятно, что для получения 90% концентрации количество ступеней должно исчисляться десятками и сотнями тысяч.
Для нормального протекания процесса требуется газ по всей цепочке подогревать, поддерживая определенный уровень давления. И на каждой ступени должен работать насос. Все это требует огромных энергетических затрат. Насколько огромных? На первом советском разделительном производстве для получения 1 кг обогащенного урана нужной концентрации требовалось затратить 600 000 кВт-час электроэнергии. Обращаю внимание – киловатт.
Даже сейчас во Франции газодиффузионный завод почти полностью съедает выработку трех блоков построенной рядом АЭС. Американцам, у которых якобы вся промышленность частная, пришлось специально построить государственную электростанцию, чтобы по специальному тарифу питать газодиффузионный завод. Эта электростанция до сих пор в госсобственности и по-прежнему использует спецтариф.
В Советском Союзе в 1945 году было решено строить предприятие по производству высокообогащенного урана. И одновременно развернуть разработку газодиффузионного метода разделения изотопов. Параллельно приступить к проектированию и изготовлению промышленных установок. Помимо всего этого следовало создать не имевшие аналога системы автоматизации, контрольно-измерительные приборы нового типа, стойкие к агрессивным средам материалы, подшипники, смазки, вакуумные установки и многое другое. На все товарищ Сталин дал два года.
Сроки нереальные, и, естественно, через два года результат был близок к нулю. Как можно строить завод, если еще нет технической документации? Как разрабатывать техдокументацию, если еще неизвестно, какое оборудование там будет? Как конструировать газодиффузионные установки, если неизвестно давление, температура гексафторида урана? Да и как себя поведет это агрессивное вещество при соприкосновении с разными металлами, тоже не знали.
На все эти вопросы ответы получили уже в процессе эксплуатации. В апреле 1948 года в одном из атомных городов Урала заработала первая очередь завода из 256 разделительных машин. По мере нарастания цепочки машин нарастали и проблемы. В частности, сотнями клинили подшипники, текла смазка. А еще работу дезорганизовали особисты и их добровольные помощники, активно ищущие вредителей.
Агрессивный гексафторид урана, вступая во взаимодействие с металлом оборудования, разлагался, соединения урана оседали на внутренних поверхностях агрегатов. По этой причине не удавалось получить необходимую 90-процентную концентрацию урана-235. Значительные потери в многоступенчатой системе разделения не позволяли получить концентрацию выше 40–55%. Были сконструированы новые аппараты, в 1949 году приступившие к работе. Но выйти на уровень 90% все равно не удалось, только на 75%. Первая советская ядерная бомба поэтому была плутониевой, как у американцев.
Гексафторид урана-235 отправляли на другое предприятие, где его доводили до необходимых 90% методом магнитной сепарации. В магнитном поле более легкие и тяжелые частицы отклоняются по-разному. За счет этого происходит разделение. Процесс медленный и дорогой. Только в 1951 году была испытана первая советская бомба с составным плутониево-урановым зарядом.
Тем временем строился новый завод с более совершенным оборудованием. Коррозионные потери удалось сократить до такой степени, что с ноября 1953 года комбинат в непрерывном режиме стал выпускать 90% продукт. В это же время была освоена промышленная технология переработки гексафторида урана в закись-окись урана. Из нее затем выделяли металлический уран.
Специально для электропитания завода была построена Верхне-Тагильская ГРЭС мощностью 600 МВт. А в общей сложности комбинат потреблял 3% всей произведенной в 1958 году в Советском Союзе электроэнергии.
В 1966 году советские газодиффузионные заводы начали демонтировать, а в 1971 году ликвидировали окончательно. На смену фильтрам пришли центрифуги.
К истории вопроса
В Советском Союзе центрифуги строились еще в 1930-е годы. Но и здесь они, как и в США, были признаны бесперспективными. Соответствующие исследования закрыли. Но вот вам один из парадоксов сталинской России. В благодатном Сухуми сотня пленных немецких инженеров работала над различными проблемами, в том числе занималась разработкой центрифуги. Возглавлял это направление один из руководителей компании «Сименс» доктор Макс Штеенбек, в группу входил механик люфтваффе и выпускник Венского университета Гернот Циппе.
Но работа зашла в тупик. Выход из тупика нашел советский инженер Виктор Сергеев – 31-летний конструктор Кировского завода, занимавшийся центрифугами. Потому что на партийном собрании убедил присутствующих, что центрифуга – это перспективно. И решением партсобрания, а не ЦК или самого Сталина были начаты соответствующие разработки в КБ завода. Сергеев сотрудничал с пленными немцами и поделился с ними своей идеей. Штеенбек позже писал: «Идея, достойная того, чтобы исходить от нас! Но мне она в голову не приходила». А русскому конструктору пришла – опора на иглу и магнитное поле.
В 1958 году первое промышленное центрифужное производство вышло на расчетную мощность. Через несколько месяцев было принято решение о постепенном переходе на этот способ разделения урана. Уже первое поколение центрифуг потребляло электроэнергии в 17 раз меньше, чем газодиффузионные машины.
Но при этом обнаружился серьезный изъян – текучесть металла на больших скоростях. Проблему решил академик Иосиф Фридляндер, под руководством которого был создан уникальный сплав В96ц, который в несколько раз прочнее оружейной стали. Сейчас при производстве центрифуг все больше используются композитные материалы.
Макс Штеенбек вернулся в ГДР и стал вице-президентом Академии наук. А Гернот Циппе в 1956 году уехал на Запад. Там он с удивлением обнаружил, что никто не использует центрифужный способ. Он запатентовал центрифугу и предложил американцам. Но те уже постановили, что идея утопическая. Только через 15 лет, когда стало известно, что в СССР все обогащение урана производится центрифугами, в Европе реализовали патент Циппе.
В 1971 году был создан концерн URENCО, принадлежащий трем европейским государствам – Великобритании, Нидерландам и Германии. Акции концерна разделены между странами поровну.
Британское правительство контролирует свою треть акций посредством фирмы Enrichment Holdings Limited. Правительство Нидерландов – посредством фирмы Ultra-Centrifuge Nederland Limited. Германская доля акций принадлежит предприятию Uranit UK Limited, акции которого, в свою очередь, поровну разделены между фирмами RWE и E.ON. Центральный офис URENCO расположен в Великобритании. В настоящее время концерну принадлежит более 12% рынка коммерческих поставок ядерного топлива для АЭС.
Однако при идентичности способа действия центрифуги URENCO имеют принципиальные конструкторские отличия. Это объясняется тем, что герр Циппе был знаком только с опытным образцом, сделанным в Сухуми. Если советские центрифуги всего метр в высоту, то европейский концерн начал с двухметровых, а машины последнего поколения выросли в колонны по 10 метров. Но и это не предел.
Американцы, у которых все самое большое в мире, построили машины высотой 12 и 15 метров. Только их завод закрылся, не успев открыться, еще в 1991 году. О причинах они скромно умалчивают, но они известны – аварии и несовершенство техники. Впрочем, в США работает центрифужный завод, принадлежащий URENCO. Продает топливо американским АЭС.
Чьи центрифуги лучше? Длинные машины на порядок производительнее маленьких российских. Длинные работают на надкритичных скоростях. В 10-метровой колонне внизу собираются молекулы, содержащие уран-235, а вверху – уран-238. Гексафторид из нижней части перекачивается в следующую центрифугу. Длинных центрифуг в технологической цепочке требуется во много раз меньше. Зато, когда речь идет о стоимости производства, обслуживания и ремонта, цифры меняются на противоположные.
Пакистанский след
Российский уран для топливных элементов реакторов АЭС дешевле зарубежного. Потому занимает 40% мирового рынка. Половина американских АЭС работает на российском уране. Экспортные заказы приносят России более 3 млрд. долл. в год.
Однако вернемся в Иран. Судя по фотографиям, здесь на обогатительных производствах установлены двухметровые центрифуги URENCO первого поколения. Откуда они у Ирана? Из Пакистана. А у Пакистана откуда взялись? Из URENKO, вестимо.
История известная. Скромный гражданин Пакистана Абдул Кадыр Хан выучился в Европе на инженера-металлурга, защитил докторскую и занял довольно высокий пост в URENCO. В 1974 году Индия испытала ядерное устройство, а в 1975 году доктор Хан вернулся на родину с чемоданом секретов и стал отцом пакистанской ядерной бомбы.
По некоторым данным, 3 тыс. центрифуг Пакистан сумел купить в самом концерне URENCO через подставные фирмы. Потом стали скупать комплектующие. Один голландский приятель Хана знал всех поставщиков URENCO и поспособствовал закупкам. Приобретались клапаны, насосы, электромоторы и прочие детали, из которых собирались центрифуги. Что-то постепенно начали производить сами, закупая соответствующие конструкционные материалы.
Поскольку Пакистан не настолько богат, чтобы тратить десятки миллиардов долларов на цикл производства ядерного оружия, оборудование стали производить и на продажу. Первым покупателем стала КНДР. Затем начали поступать и нефтедоллары Ирана. Есть основания полагать, что причастным оказался и Китай, снабдивший Иран гексафторидом урана и технологиями его производства и деконверсии.
В 2004 году доктор Хан после встречи с президентом Мушаррафом выступил по телевидению и публично покаялся в продаже ядерных технологий за рубеж. Таким образом снял с руководства Пакистана вину за нелегальный экспорт в Иран и КНДР. С тех пор он пребывает в комфортабельных условиях домашнего ареста. А Иран и КНДР продолжают наращивать разделительные мощности.
На что хотелось бы обратить внимание. В сообщениях МАГАТЭ постоянно говорится о количестве работающих и неработающих центрифуг в Иране. Из чего можно предполагать, что машины, изготовленные в самом Иране даже с применением импортных комплектующих, имеют массу технических проблем. Возможно, большая их часть так никогда и не заработает.
В самом URENCO первое поколение центрифуг тоже преподнесло неприятный сюрприз своим создателям. Никак не удавалось получить концентрацию урана-235 выше 60%. На преодоление проблемы понадобилось несколько лет. С какими проблемами столкнулся в Пакистане доктор Хан, мы не знаем. Но, начав исследования и производство в 1975 году, первую урановую бомбу Пакистан испытал только в 1998 году. Иран фактически находится только в начале этого непростого пути.
Уран считается высокообогащенным, когда содержание изотопа-235 превышает 20%. Иран все время обвиняют, что он вырабатывает именно высокообогащенный 20-процентный уран. Но это неправда. Иран получает гексафторид урана с содержанием урана-235 в 19,75%, чтобы даже случайно хотя бы на долю процента не пересечь запретную черту. Уран именно такой степени обогащения используется для исследовательского реактора, построенного американцами еще при шахском режиме. Но вот уже 30 лет, как они прекратили снабжать его топливом.
Здесь, впрочем, тоже возникла проблема. В Исфахане построена технологическая линия по деконверсии гексафторида урана, обогащенного до 19,75%, в оксид урана. Но пока она испытана лишь для фракции 5%. Хотя смонтирована еще в 2011 году. Можно только представить, какие сложности будут ждать иранских инженеров, если дело дойдет до 90-процентного оружейного урана.
В мае 2012 года анонимный сотрудник МАГАТЭ поделился с журналистами информацией, что на обогатительном производстве в Иране инспекторы МАГАТЭ обнаружили следы урана, обогащенного до 27%. Однако в ежеквартальном докладе этой международной организации нет ни слова на эту тему. Также неизвестно, что подразумевалось под словом «следы». Не исключено, что это просто был вброс негативной информации в рамках информационной войны. Возможно, следы – это соскобленные частицы урана, который при контакте с металлом из гексафторида превратился в тетрафторид и осел в виде зеленого порошка. И превратился в производственные потери.
Даже на передовом производстве URENCO потери могут достигать 10% от общего объема. При этом легкий уран-235 вступает в коррозионную реакцию гораздо охотнее своего менее подвижного собрата-238. Сколько гексафторида урана теряется при обогащении на иранских центрифугах, можно только гадать. Но можно ручаться, что потери есть и немалые.
Результаты и перспективы
Промышленное разделение (обогащение) урана производится в добром десятке стран. Причина та же, что декларируется Ираном: независимость от импортных поставок топлива для реакторов АЭС. Вопрос стратегической важности, ведь речь идет об энергетической безопасности государства. С расходами в такой области уже не считаются.
В основном эти предприятия принадлежат URENCO или же закупают у концерна центрифуги. Российскими машинами пятого и шестого поколения оборудованы предприятия, построенные в 1990-е годы в Китае. Естественно, пытливые китайцы разобрали образцы по винтику и сделали абсолютно такие же. Однако есть в этих центрифугах некий русский секрет, который не то что воспроизвести, даже понять, в чем он состоит, никто не может. Не работают абсолютные копии, хоть ты тресни.
Все те тонны иранского обогащенного урана, которыми пугают обывателя зарубежные, да и отечественные СМИ, на самом деле являются тоннами гексафторида урана. Судя по имеющимся данным, Иран пока даже не приблизился к производству металлического урана. И, похоже, не собирается заниматься этим вопросом в ближайшее будущее. Поэтому все расчеты, сколько бомб может сделать Тегеран из имеющегося урана, бессмысленны. Нельзя сделать ядерное взрывное устройство из гексафторида, даже если его сумеют довести до 90% урана-235.
Несколько лет назад два российских физика проинспектировали иранские ядерные объекты. Миссия засекречена по просьбе российской стороны. Но, судя по тому, что руководство и МИД РФ не присоединяются к обвинениям в адрес Ирана, опасность создания ядерного оружия Тегераном не обнаружена.
Между тем США и Израиль постоянно угрожают Ирану бомбежкой, страну изводят экономическими санкциями, пытаясь таким способом задержать ее развитие. Результат противоположный. За 30 лет санкций Исламская Республика из сырьевой превратилась в индустриальную. Здесь делают свои реактивные истребители, подводные лодки и массу другого современного вооружения. И прекрасно понимают, что только вооруженный потенциал сдерживает агрессора.
Когда КНДР провела подземный ядерный взрыв, тональность переговоров с ней резко изменилась. Неизвестно, что за устройство взорвали. И был ли это настоящий ядерный взрыв или заряд «выгорел», поскольку цепная реакция должна длиться миллисекунды, а есть подозрения, что она вышла затяжной. То есть выброс радиоактивных продуктов произошел, а самого взрыва не было.
Такая же история с межконтинентальными северокорейскими ракетами. Два раза их запускали, и оба раза все закончилось аварией. Очевидно, что летать они не способны и вряд ли когда смогут. Нет у бедной КНДР соответствующих технологий, производств, кадров, научных лабораторий. Но больше Пхеньяну войной и бомбардировками не грозят. И это видит весь мир. И делает разумные выводы.
Бразилия объявила, что намерена строить атомную подводную лодку. Просто так, на всякий случай. Вдруг завтра кому-нибудь не понравится бразильский руководитель и он пожелает его заменить?
Президент Египта Мухаммед Мурси намерен вернуться к вопросу о разработке Египтом собственной программы использования ядерной энергии в мирных целях. Мурси сделал это заявление в Пекине, выступая перед лидерами проживающей в Китае египетской общины. При этом египетский президент назвал ядерную энергию «чистой энергией». Запад по этому поводу пока отмалчивается.
У России есть шанс создать совместное предприятие с Египтом по обогащению урана. Тогда резко повышаются шансы, что и АЭС здесь будут строиться по российским проектам. А рассуждения о якобы возможных ядерных бомбах оставим на совести ландскнехтов информационных войн.
Виктор Мясников
