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!».