Григорьев Геннадий Юрьевич

Ни один метод обогащения урана не превзошел центрифужный

Я родился в Орен­бурге, школь­ные годы про­вел в Уральске, там окон­чил школу с золо­той меда­лью и поступил в Мос­ков­ский инже­нерно-физи­че­ский инсти­тут. К сча­стью, как меда­лист я сда­вал только матема­тику. С осталь­ными пред­ме­тами у меня было не очень хорошо: напри­мер, на уро­ках английского мы только песни пели. Окон­чил вуз (кафедра физики плазмы), диплом делал в отделе плазмен­ных иссле­до­ва­ний Кур­ча­тов­ского инсти­тута. Но штат­ной долж­но­сти там не было, и после защиты диплома мне пред­ложили рабо­тать в Отделе при­бо­ров теп­ло­вого кон­троля (ОПТК), кото­рым заве­до­вал леген­дар­ный физик Исаак Кон­стан­ти­но­вич Кикоин, кото­рый в атом­ном про­екте был науч­ным руко­во­ди­те­лем работ по раз­де­ле­нию изо­топов урана.

Я спро­сил у кад­ро­ви­ков: «А чем занимаются в отделе Кико­ина?». Мне отве­тили: «Вот когда туда рабо­тать при­дешь, тогда и узна­ешь». Устро­или экза­мен, я его успешно сдал и поступил на работу в ОПТК. Это было в 1971 году. И вот уже 51 год я рабо­таю в Кур­ча­тов­ском инсти­туте. Благо­дарю судьбу за то, что мне уда­лось пора­бо­тать под руко­вод­ством таких выдающихся уче­ных, как ака­демики И. К. Кикоин и В. А. Лега­сов.

Когда я при­шел, в отделе как раз начали раз­ра­ба­ты­вать пер­спек­тив­ный метод лазер­ного раз­де­ле­ния изо­топов. Под руко­вод­ством Ана­то­лия Пав­ло­вича Сен­чен­кова была орга­ни­зо­вана спе­ци­аль­ная лабо­ра­то­рия по иссле­до­ва­нию опти­че­ских свойств газов (ЛИОСГ). Опуб­ли­ко­ван­ных дан­ных по спек­тро­скопии гек­сафто­рида урана (ГФУ) прак­ти­че­ски не было — эти иссле­до­ва­ния мне и пору­чили. Работа легла в основу моей кан­ди­дат­ской дис­сер­тации «Иссле­до­ва­ние изо­топи­че­ских эффек­тов в спек­трах поглоще­ния гек­сафто­рида урана». Позд­нее вме­сте с моим кол­ле­гой про­фес­со­ром Ш. Ш. Наби­е­вым и кол­легами из ИОФ РАН во главе с про­фес­со­ром А. И. Надеж­дин­ским мы иссле­до­вали ГФУ мето­дом диод­ной лазер­ной спек­тро­скопии. В том числе для инспек­то­ров МАГАТЭ мы раз­ра­ба­ты­вали лазер­ный метод экс­пресс-диагно­стики обогаще­ния ГФУ. В конце 1990‑х резко воз­росла потреб­ность в изо­топе 13C для медицин­ских при­ме­не­ний. Этот изо­топ исполь­зу­ется в диагно­стике Helicobacter pylori. Мы раз­ра­бо­тали тех­но­логию и постро­или комплекс «Колонна» для раз­де­ле­ния изо­топов угле­рода мето­дом крио­ген­ной рек­тифи­кации.

В конце 1990‑х — начале 2000‑х годов я под­клю­чился к цен­три­фуж­ной тема­тике. Работы про­во­ди­лись под руко­вод­ством А. П. Сен­чен­кова. Мы иссле­до­вали свойства угле­пла­стика, про­во­дили рас­четы свойств угле­пла­сти­ко­вых труб, про­во­дили проч­ност­ные испыта­ния, иссле­до­вали резо­нанс­ные свойства в зави­симо­сти от струк­туры намотки. В начале 2000‑х мы раз­ра­бо­тали концепцию пер­спек­тив­ной цен­три­фуги. Неко­то­рые счи­тали нас возму­ти­те­лями спо­койствия, но, насколько мне известно, отдель­ные положе­ния нашей концепции исполь­зуются в раз­ра­бот­ках АО «ТВЭЛ».

Кур­ча­тов­ский комплекс физико-хими­че­ских тех­но­логий (ККФХТ), кото­рым я сегодня руко­вожу, в суще­ствен­ной части наслед­ник ОПТК. Со време­нем к нам пере­шли также работы по моле­ку­ляр­ной физике и все, что каса­ется изо­топ­ных и фто­рид­ных тех­но­логий. Пре­зи­ден­том НИЦ «Кур­ча­тов­ский инсти­тут» М. В. Коваль­чу­ком постав­лена задача серьез­ного расши­ре­ния иссле­до­ва­ний по медицин­ским при­ложе­ниям в нашем Цен­тре. Можно ска­зать, ядер­ная медицина явля­ется глав­ным направ­ле­нием этих иссле­до­ва­ний. Кур­ча­тов­ский комплекс физико-хими­че­ских тех­но­логий создает методы полу­че­ния неко­то­рых ста­биль­ных и радио­ак­тив­ных изо­топов, а также в сотруд­ни­че­стве с меди­ками ведет иссле­до­ва­ния по син­тезу и испыта­нию радиофармпрепа­ра­тов. Эти работы про­во­дятся под руко­вод­ством про­фес­сора Д. Ю. Чуви­лина. В сотруд­ни­че­стве с Комплек­сом пер­спек­тив­ной атом­ной энерге­тики мы при­нимаем уча­стие в раз­ра­ботке жид­ко­со­ле­вого реак­тора, кото­рый Роса­том пла­ни­рует созда­вать в Желез­ногор­ске. Кроме того, мы раз­ра­ба­ты­ваем методы сен­сор­ной диагно­стики, лазер­ной спек­тро­скопии и т. д. 

На мой взгляд, неко­то­рые кол­леги недо­оце­ни­вают роль Отдела при­бо­ров теп­ло­вого кон­троля Кур­ча­тов­ского инсти­тута в созда­нии цен­три­фуж­ной тех­но­логии обогаще­ния урана, осо­бенно вклад Евге­ния Михай­ло­вича Каме­нева. Под­кри­ти­че­ский ротор, кото­рый потом надолго стал осно­вой цен­три­фуж­ной тех­но­логии, при­думал именно Каме­нев. Тому есть немало сви­де­тельств. У под­кри­ти­че­ской цен­три­фуги рабо­чая частота враще­ния ниже, чем пер­вая кри­ти­че­ская резо­нанс­ная частота. А над­кри­ти­че­ская машина рабо­тает на частоте выше пер­вой резо­нанс­ной и, может быть, даже выше сле­дующих резо­нан­сов. Чтобы ее выве­сти на рабо­чий режим, надо пройти кри­ти­че­скую ско­рость, после кото­рой она будет устой­чиво рабо­тать. М. Ште­ен­бек сразу рабо­тал над длин­ной, над­кри­ти­че­ской цен­три­фу­гой. Но на тот момент для воплоще­ния раз­ра­ботки не было под­хо­дящих мате­ри­а­лов, да и уро­вень тех­ники не поз­во­лил бы про­из­во­дить такое обо­ру­до­ва­ние серийно. Пилот­ную над­кри­ти­че­скую цен­три­фугу М. Ште­ен­бек и Г. Циппе соби­рали вруч­ную.

Под­кри­ти­че­ская цен­три­фуга была прак­ти­че­ски сразу готова к промыш­лен­ному про­из­вод­ству. Конечно, огром­ный вклад в созда­ние пер­вой промыш­лен­ной цен­три­фуги внесли кон­струк­торы ленинград­ского Киров­ского завода. Но все же фун­дамен­таль­ные иссле­до­ва­ния про­во­ди­лись в основ­ном в Кур­ча­тов­ском инсти­туте. Кто при­думал кас­ка­ди­ро­ва­ние, то есть пере­дачу гек­сафто­рида урана от одной цен­три­фуги к дру­гой? Каме­нев сде­лал отбор­ник для лег­кой фракции в виде само­лет­ного крыла. Потом эту кон­струкцию опти­ми­зи­ро­вали на Киров­ском заводе. Кикоин пред­ложил этот отбор­ник выне­сти на перифе­рию ротора — там больше дав­ле­ние. Эта про­стая на пер­вый взгляд идея поз­во­лила под­нять дав­ле­ние на выходе и кас­ка­ди­ро­вать цен­три­фуги без допол­ни­тель­ных компрес­со­ров. Была достиг­нута прямая пере­дача гек­сафто­рида урана от одной цен­три­фуги к дру­гой.

Часто задают вопрос, насколько цен­три­фуга для обогаще­ния урана явля­ется изоб­ре­те­нием немец­ких спе­ци­а­ли­стов и насколько - совет­ских. Вообще о возмож­но­сти раз­де­ле­ния газов в цен­три­фугах было известно еще в 30‑х годах прошлого века. Суще­ствует фун­дамен­таль­ная тео­ре­ти­че­ская работа П. Дирака, тео­ре­ти­че­ская работа Ю. Б. Хари­тона. Но прак­ти­че­ское при­ме­не­ние упи­ра­лось в необ­хо­димость рас­кру­чи­вать цен­три­фугу до прямо-таки сума­сшед­ших ско­ро­стей. Я при­со­еди­няюсь к точке зре­ния, что вклад немец­ких спе­ци­а­ли­стов суще­ствен­ный, но не опре­де­ляющий. М. Ште­ен­бек (или кто-то из его сотруд­ни­ков) пред­ложил в каче­стве под­шип­ника исполь­зо­вать иглу на твер­дой под­ложке, так назы­ва­емую опор­ную пару. Это важ­ная деталь цен­три­фуги, все осталь­ное было при­думано совет­скими спе­ци­а­ли­стами, так что при­мерно можно оце­нить, что пер­вая цен­три­фуга для обогаще­ния урана — на 20% немец­кое, а на 80% - совет­ское изоб­ре­те­ние.

В ОПТК про­во­ди­лось много работ фун­дамен­таль­ного харак­тера по цен­три­фуж­ной тех­но­логии. Изу­чали кор­ро­зи­он­ную стой­кость мате­ри­а­лов, про­во­дили газо­ди­нами­че­ские иссле­до­ва­ния, раз­ра­ба­ты­вали изме­ри­тель­ные при­боры. Напри­мер, и для газо­диффу­зи­он­ной, и для цен­три­фуж­ной тех­но­логии была акту­альна про­блема воз­душ­ной натечки. При­бор для реги­страции кис­ло­рода был создан именно в Кур­ча­тов­ском инсти­туте, занимался этим Леопольд Льво­вич Горе­лик. ОПТК позд­нее участ­во­вал и в рабо­тах по раз­де­ле­нию на газо­вых цен­три­фугах ста­биль­ных изо­топов других элемен­тов, не только урана. Цен­три­фуга рабо­тает только с лету­чими соеди­не­ни­ями и с газами, и для многих элемен­тов эти лету­чие соеди­не­ния впер­вые были син­те­зи­ро­ваны именно у нас. Напри­мер, промыш­лен­но­сти нужны были 59Ni, 60Ni и 63Ni. Но раз­де­лять изо­топы на элек­тро­маг­нит­ных сепа­ра­то­рах полу­ча­лось очень дорого. Газо­об­раз­ное соеди­не­ние, так назы­ва­емый тет­ра­кис никеля, впер­вые полу­чили в ОПТК химики под руко­вод­ством Вла­ди­мира Нико­ла­е­вича Пру­са­кова. Очень большой вклад в раз­ра­ботку мето­дов раз­де­ле­ния ста­биль­ных изо­топов внесли сотруд­ники Кур­ча­тов­ского инсти­тута Нико­лай Серге­е­вич Бабаев, Анна Григо­рьевна Плот­кина, Андрей Вик­то­ро­вич Тихоми­ров и Ана­то­лий Нико­ла­е­вич Чельцов. В Кур­ча­тов­ском инсти­туте впер­вые были нара­бо­таны десятки килограммов изо­топа 50Cr для искус­ствен­ного источ­ника нейтрино. Сегодня комплекс «Свет­лана» на ЭХЗ в зна­чи­тель­ной мере исполь­зует раз­ра­ботки, впер­вые сде­лан­ные в Кур­ча­тов­ском инсти­туте.

От корот­ких под­кри­ти­че­ских цен­три­фуг со време­нем все же ушли. Нужно было повышать ско­рость и уве­ли­чи­вать длину ротора. Современ­ные цен­три­фуги — над­кри­ти­че­ские. Глав­ное, что изме­ни­лось в цен­три­фуге за 70 лет, — это мате­ри­алы. За рубежом к над­кри­ти­че­ским маши­нам пере­шли быст­рее. Роторы сна­чала делали из мар­тен­сит­но­ста­реющей стали. URENCO Group, объеди­няющая атомщи­ков из Герма­нии, Гол­лан­дии и Англии, постро­ила три завода на этих сталь­ных цен­три­фугах. Начи­ная с модели цен­три­фуги ТС‑12, они пере­шли на угле­пла­сти­ко­вые роторы. Пред­ложе­ние делать роторы из угле­пла­стика сотруд­ник Кур­ча­тов­ского инсти­тута Ана­то­лий Пав­ло­вич Сен­чен­ков сде­лал еще тогда, когда мы ничего не знали про URENCO Group. Но тогда в нашей стране не было под­хо­дящего сырья для про­из­вод­ства угле­пла­стика тре­бу­емого каче­ства. Сей­час эти мате­ри­алы делают в Рос­сии.

По моему мне­нию, на сегодня опро­бо­ваны уже все возмож­ные методы обогаще­ния урана. Но пока ни один из них не пре­взошел цен­три­фуж­ный. Много шума наде­лал в свое время SILEX — метод раз­де­ле­ния изо­топов лазер­ным воз­буж­де­нием. Исто­рия длин­ная. Метод при­думали в Южной Африке, потом спе­ци­а­ли­сты пере­ехали в Австра­лию, а при­ме­нять хотели в США — для извле­че­ния 235U из отва­лов газо­диффу­зи­он­ного про­из­вод­ства. Была учре­ждена фирма Global Laser Enrichment, опуб­ли­ко­ваны планы запуска завода, и даже была полу­чена соот­вет­ствующая лицен­зия. Но затем, якобы из-за изме­не­ния конъюнк­туры рынка, про­ект был оста­нов­лен. Я предпо­лагаю, что у них воз­никли тех­ни­че­ские про­блемы с лазер­ной системой. Лазеры на угле­кис­лом газе с пре­об­ра­зо­ва­нием частоты на крио­ген­ной пара­во­до­род­ной кювете — это довольно-таки громозд­кое сооруже­ние. Лазеры должны быть большой мощ­но­сти, иначе ВКР-пре­об­ра­зо­ва­ния частоты на пара­во­до­роде не будет. Такая система не слиш­ком надежна.

Мне кажется, что несмотря на повышен­ную сек­рет­ность мы понимаем, как рабо­тает тех­но­логия SILEX. Для этой тех­но­логии не тре­бу­ется высо­кая мощ­ность, и, возможно, с раз­ви­тием лазер­ной тех­ники к SILEX еще вер­нутся. Мы в Рос­сии обсуж­дали лазер­ное раз­де­ле­ние, в том числе с руко­вод­ством «ТВЭЛ». Моя точка зре­ния: хорошие пер­спек­тивы у кван­тово-кас­кад­ных лазе­ров. Сей­час они дорогие и в нуж­ном диапа­зоне не имеют доста­точ­ную мощ­ность, но тех­но­логия их про­из­вод­ства раз­ви­ва­ется доста­точно быстро, и возможно, они най­дут свое при­ме­не­ние в лазер­ном раз­де­ле­нии изо­топов. Плазмен­ное раз­де­ле­ние — тоже дорого. Прак­ти­че­ски любые изо­топы можно раз­де­лить на элек­тро­маг­нит­ном сепа­ра­торе, но нужно иони­зи­ро­вать весь газ, из кото­рого вы вытяги­ва­ете тре­бу­емые вам ионы. Иони­за­ция — доро­гой, энерго­за­трат­ный процесс, и никуда от этого не денешься. Еще один метод — это ионно-цик­ло­трон­ный резо­нанс. Но там та же про­блема с иони­за­цией. Выше я гово­рил о при­ме­не­нии метода крио­ген­ной рек­тифи­кации для раз­де­ле­ния изо­топов угле­рода. Рек­тифи­кация ГФУ была доста­точно давно иссле­до­вана в Кур­ча­тов­ском инсти­туте В. К. Ежо­вым. Она ока­за­лась эффек­тив­ной для очистки ГФУ от при­ме­сей, но для обогаще­ния не годи­лась.

В Кур­ча­тов­ском инсти­туте есть свой комплекс газо­вых цен­три­фуг «Кас­кад». Изна­чально у нас было несколько тысяч машин. Большую часть мы по мере выра­ботки ресурса вывели из экс­плу­а­тации, но один кас­кад оста­вили. Сей­час мы его модер­ни­зи­руем с целью нара­ботки изо­топа 129Xe. В послед­нее время в мире раз­ви­ва­ется ядер­ная маг­нитно-резо­нанс­ная томография с исполь­зо­ва­нием гиперпо­ля­ри­зо­ван­ных благо­род­ных газов (ЯМР-томография). При обыч­ной томографии исполь­зу­ется поля­ри­за­ция про­то­нов. Степень их поля­ри­за­ции в силь­ном маг­нит­ном поле на уровне 10–5. Чтобы томограф был доста­точно чув­стви­тель­ным, нужно очень силь­ное маг­нит­ное поле. Поэтому современ­ные томографы делают со сверхпро­во­дящими маг­ни­тами, а они очень дорогие. Но ведь поля­ри­зо­вать можно и неко­то­рые газы - в част­но­сти, 3He и 129Xe. И эта поля­ри­за­ция может быть очень высо­кой. По чув­стви­тель­но­сти можно выиг­рать пять поряд­ков по срав­не­нию с обыч­ным томографом. К тому же не тре­бу­ется силь­ное маг­нит­ное поле. Мы опуб­ли­ко­вали два обзора по этой мето­дике, пер­спек­тивы выгля­дят много­обещающими. Сей­час эта тема вклю­чена в тема­ти­че­ский план Кур­ча­тов­ского инсти­тута, мы рас­счи­ты­ваем расши­рять эти иссле­до­ва­ния.

В Роса­томе также начаты работы по полу­че­нию гиперпо­ля­ри­зо­ван­ного 129Xe. В 2016 году в Кур­ча­тов­ском инсти­туте рас­сек­ре­тили ряд докумен­тов 50-х годов прошлого века, касающихся раз­ра­бо­ток цен­три­фуги; в част­но­сти, очень большое коли­че­ство отче­тов по испыта­ниям. Меня пора­зил объем про­де­лан­ной работы. Из этих докумен­тов видно, насколько фун­дамен­таль­ным был под­ход к раз­ра­ботке тех­но­логии раз­де­ле­ния. Очень много подроб­нейших рас­че­тов, результа­тов тща­тель­ных изме­ре­ний. Все изме­ре­ния тща­тельно обра­бо­таны с исполь­зо­ва­нием тео­рии оши­бок. Не все современ­ные экс­пе­римен­та­торы при­дают такое большое зна­че­ние ошиб­кам изме­ре­ний. Мне как члену дис­сер­таци­он­ных сове­тов не раз дово­ди­лось слышать, как соис­ка­тель на вопрос «Почему у вас не ука­заны ошибки?» отве­чал: «Да они у нас маленькие!».