Наука идет вперед
Не секрет, что получение высокообогащенного урана (по изотопу 235) в 1950‑е годы ХХ века в первую очередь было необходимо для создания ядерного оружия: в это время ковался ядерный щит страны. Этим занимался не только СССР, но и другие государства. Но тогда же, в 1954 году, была запущена в эксплуатацию первая в мире АЭС — Обнинская, и стало понятно, что 235U может использоваться и в мирных целях. А это уже принципиально новая задача. Атомные станции должны были стать источником стабильной и при этом дешевой электрической энергии, то есть быть экономически эффективными. Соответственно, появилась задача снизить затраты на каждом этапе ядерного топливного цикла с конечной целью всех этих усилий — снизить цену киловатт-часа.
На момент пуска Обнинской АЭС были известны несколько методов разделения изотопов, в том числе электромагнитный, термодиффузионный, газоцентрифужный, газодинамический (звуковое сопло, вихревая труба). Но первым промышленным методом разделения изотопов стал газодиффузионный. Это эффективный метод, но чрезвычайно энергозатратный. Поэтому разработка советскими учеными газоцентрифужной технологии разделения изотопов урана, причем технологии промышленной, а не экспериментальной, была настоящим прорывом. По сравнению с газодиффузионным методом затраты на одну единицу работы разделения (или, говоря по-другому, энергозатраты на производство) сократились более чем в 20 раз! Это главное конкурентное преимущество газовых центрифуг. Газовая диффузия — это технологический процесс, основанный на различной скорости проникновения молекул газа с разной молекулярной массой через микропористую структуру, изготовленную из спеченного металлического порошка, при котором необходимо прокачивать значительное количество гексафторида урана с использованием компрессорного оборудования. При этом эффект разделения на одной ступени очень низкий; значит, этот очень энергозатратный процесс нужно повторить множество раз. Ротор центрифуги вращается в вакууме на магнитном подвесе с опорой на тонкую иглу. Центробежная сила действует на молекулы гексафторида урана, и в соответствии с разницей молекулярных масс происходит разделение. В пристеночном слое оказываются более тяжелые молекулы, содержащие изотоп 238U, к центру ротора концентрируются более легкие молекулы, содержащие изотоп 235U. Дополнительный эффект разделения в центрифуге возникает за счет осевой циркуляции рабочего газа в пристеночном слое. Раскрутить ротор в вакууме существенно проще, чем продавить гексафторид урана сквозь мелкоячеистую мембрану - для этого нужно создать очень высокое рабочее давление. А с газовыми центрифугами избыточное давление создавать не нужно; соответственно, энергозатраты на разделение в разы ниже.
Как только был создан каскад для разделения изотопов урана, ученые задались вопросом, можно ли с помощью центрифуг разделять изотопы других элементов. Прежде всего речь шла о стабильных изотопах — изотопные таблицы уже были известны. На базе Института атомной энергии в Москве (впоследствии - Курчатовский институт) еще в конце 1950‑х годов начали проводиться экспериментальные работы. Базовой площадкой по созданию промышленных методов разделения был УЭХК. Академик Исаак Константинович Кикоин в 1970‑е годы предложил создать опытно-промышленное производство стабильных изотопов. И первой промышленной площадкой не только в Советском Союзе, но и во всем мире стал ЭХЗ. Эту инициативу тогда поддержали технические руководители — Валентин Григорьевич Шаповалов, Анатолий Николаевич Шубин, которые стояли непосредственно у истоков разделения изотопов неурановых элементов. Можно сказать, что тогда была открыта новая страница в истории атомной отрасли. И уже в 1971 году была наработана первая партия 57Fe, обогащенного до 80%.
Естественно, все разработки были строго засекречены. Область применения 57Fe — от дефектоскопии и метрологии до космических технологий. Не надо забывать, что 1960–1970‑е годы — это начало космической эпохи в СССР, в это время активно разрабатывались первые ядерные реакторы для космических аппаратов. И для этого могли быть использованы специфические свойства стабильных изотопов различных химических элементов, которые ученые тогда не могли получить в значимых количествах другими методами. Задачи тех времен раскрывались как большая толстая книга. С получением каждого нового изотопа, отдельно обогащенного, можно было изучать его свойства; также можно было, используя уже существующие ядерные реакторы, получать радиоактивные изотопы, проводить исследования как в медицинских целях, так и для развития фундаментальной науки. Отдельное направление — изучение влияния свойств стабильных изотопов на конструкционные материалы, ведь в ядерном реакторе при высокой плотности потока нейтронов, естественно, происходит изменение свойств материалов. Вторым элементом, изотопы которого разделили на ЭХЗ, был вольфрам.
Опытно-промышленное производство стабильных изотопов на ЭХЗ начали создавать с 1971 года. Лабораторные и малые стенды были созданы на базе центральной заводской лаборатории совместно с учеными Института атомной энергии им. Курчатова. Затем задачи применения изотопов начали расширяться, и в конце 1980‑х годов было построено отдельное специализированное производство по получению радиоактивных изотопов. Помимо 55Fe, на заводе был получен 14C. Следующим шагом стало получение в промышленных масштабах 85Kr, который до сих пор востребован на рынке, в первую очередь как источник для дефектоскопии.
Успех работы над получением стабильных изотопов в 1970–1980‑х привел к появлению проекта «Светлана» — созданию на Электрохимическом заводе полноценного промышленного комплекса производства стабильных изотопов. В 1990‑е, когда Росатом вышел на мировой рынок, производство стабильных изотопов на ЭХЗ получило новый толчок к развитию, поскольку пошли заказы от научных организаций и коллабораций практически со всего мира. Другое направление использования стабильных изотопов — медицина. Это в первую очередь получение изотопов молибдена, иридия, теллура и ксенона, которые в дальнейшем после облучения в ядерных реакторах и ускорителях переходят в радиоактивные изотопы - например, 98Mo — в 99Tc.
За последние годы на ЭХЗ линейка производства стабильных изотопов расширилась до 22 элементов таблицы Менделеева. Учитывая, что у одного элемента может быть несколько изотопов, на ЭХЗ освоена технология наработки 115 различных изотопов. Изотопы одного и того же элемента могут использоваться в различных сферах. Например, одним из старейших у нас является производство цинка, обедненного по изотопу 64. Он широко используется на атомных станциях зарубежного дизайна для добавления в теплоноситель первого контура, мы производим его уже много лет, успешно поставляем в форме оксида цинка либо ацетата цинка на международный рынок. А в настоящий момент ученым потребовались также 66Zn и 68Zn. Это говорит о том, что наука еще изучает свойства изотопов, и какие изотопы будут востребованы в дальнейшем — нам только предстоит узнать.
Наука ведь не стоит на месте, идет вперед. И наши технологии позволяют не отставать от этого процесса. Технологии ЭХЗ постоянно совершенствуются, и мы стремимся успевать за потребностями современных индустрий. И здесь ЭХЗ имеет возможность опираться на очень богатую базу, наработанную десятилетиями. И сейчас, если потребуется, мы можем взять любое вещество, которое может находиться в газообразном состоянии и давление его насыщенных паров позволяет подать его в газовую центрифугу, и произвести разделение по изотопам.