Газовые центрифуги...

Газовая центрифуга

Газовая центрифуга — устройство для разделения (сепарации) газов с разным молекулярным весом.
Наиболее известны газовые центрифуги для разделения изотопов, в первую очередь подразумевается современный способ обогащения урана изотопом U-235 для атомной энергетики и атомного вооружения. Перед обогащением природная смесь изотопов урана переводится в газообразную фазу в виде гексафторида урана. Высокая степень разделения достигается использованием множества отдельных газовых центрифуг, собранных в каскад, что позволяет последовательно достичь более высокого обогащения урана-235 при значительно меньших энергетических затратах по сравнению с диффузионным каскадным процессом разделения изотопов, используемым ранее. Газоцентрифужная технология представляет сегодня самый экономичный способ разделения изотопов урана, использует значительно меньше энергии, чем другие методы, и имеет множество других преимуществ.


Каскад газовых центрифуг на заводе в Пайктон, штат Огайо с 1984

В настоящее время в мире имеется 4 основных фирмы, занимающиеся обогащением урана, каждая из которых занимает примерно четверть мирового рынка по продажам.
ТВЭЛ — российская компания (подразделение ГК «Росатом», сбыт на мировом рынке осуществляется через Техснабэкспорт (TENEX)) использует советско-российские газоцентрифужные технологии.
URENCO — совместная (англо-голландская-немецкая) со штаб квартирой в Великобритании использует газоцентрифужную технологию основанную на патенте Циппе.
Areva — французская и USEC — американская . Французские и американские фирмы до сих пор не обладают своими надежными газоцентрифужными технологиями. Французская Areva купила 50 % URENCO, инвестировала более 3 миллиардов евро в последние годы в новый завод Georges Besse II. Новый завод работает с апреля 2011 , мощность более 1,5 млн ЕРР в год, в 2016 году он будет работать с полной производственной мощностью 7,5 млн ЕРР в год.





- - -
Из всех статей (русской, английской, китайской, немецкой, нидерландской, испанской, арабской) в Википедии по газовым центрифугам русская самая подробная.
- - -
Шпайш машт флоу (NUC1)
Однако, для того, чтобы понять, кто чего стоит в "Изотопном клубе" — приведу данные из вот этого отчёта: На долю России приходится 40% от мировых мощностей по разделению изотопов, на долю США — 20%, на долю Франции приходится 15% мощностей, на объединённую долю Германии-Великобритании-Бельгии — ещё 22% мощностей по обогащению.
Все остальные обогатители, включая Японию, имеют не более 3% от мировых мощностей по обогащению. На ядрен-батон может быть и хватит, а вот на создание своего замкнутого ЯТЦ — уже нет.
Поэтому, как говорится "шпайш машт флоу" — нет центрифуг — нет обогащённого урана.

Газодиффузное обогащение изначально создавалось под запросы военных. Американским военным, собственно говоря, на энергетические затраты по разделению изотопов было элементарно наплевать — им был нужен оружейный, высокообогащённый уран (для реакторов подводных лодок — это несколько десятков процентов обогащения, для атомной бомбы — не менее 75%, а для реакторов, напомню — всего 2-4%!), причём быстро! Нефти и энергии было полно, о затратах никто не думал, вот и построили быстро газодиффузные заводы.


На протяжении нескольких десятков лет технологии изотопного обогащения урана в СССР и странах Запада развивались абсолютно изолированно, хотя все начинали с газодиффузионной технологии. Из публикаций косвенных данных СССР было известно, какая промышленная технология используется Западом.
Но в конце 1940-х годов у страны катастрофически не хватало энергии и советские учёные вынуждены были искать альтернативы газодиффузному способу. В дальнейшем по понятным причинам условий Холодной войны газовая диффузия и центрифугование стали каждая развиваться по отдельности — диффузия на Западе, а центрифуги — в СССР.

Поэтому Запад узнал об успехах СССР лишь в 1990-е годы, когда в рамках контроля за процессом разоружения обе страны частично раскрыли информацию. Тогда и выяснилось, что Россия обладает значительно более производительным и экономичным процессом. Ликвидировать этот разрыв западные компании и страны не смогли до сих пор.

В итоге газодиффузное обогащение оказалось более чем в 20 раз энергозатратным, нежели обогащение на центрифугах.

Кстати, дополнительную пикантность ситуации придаёт то, что один из создателей первых советских центрифуг — немец Конрад Циппе впоследствии уехал на Запад, сотрудничал с англо-голландским концерном Urenco и разработал другую модель центрифуги и для них. Именно центрифуги Urenco сумел контрабандой сначала приобрести ПакистанЮ а потом и через Пакистан — Иран.

Поэтому, два из трех основных конкурентов России на мировом рынке услуг по обогащению урана, наиболее мощные компании — французская компания Areva (частично) и американская USEC (полностью), до сих пор используют чрезвычайно энергозатратную газодиффузионную технологию. Центробежной же технологией в "западном" исполнении совместно владеют европейские компании Urenco и Areva, но только последнее поколение их центрифуг возможно сможет хоть как-то конкурировать с российскими по уровню энергопотребления.

Завод Urenco в США недавно наконец-то пущен в промышленную эксплуатацию. 20 августа 2012 года первая очередь новых центрифуг Urenco была загружена гексафторидом урана.
Мощность завода Urenco составляет 1,5 млн. единиц работы разделения (ЕРР) в год. Или 7% от мощности существующих обогатительных предприятий России.

Россия же планирует до 2015 года увеличить мощности своих предприятий по разделению изотопов на 10 миллионов ЕРР в год. И разделять за год 33 миллиона ЕРР.


Ядерная спичка (NUC2)

Как мы помним из предыдущей части, за время Холодной войны, когда и были, собственно говоря, произведены основные избыточные количества урана, США и Франция успешно освоили газодиффузный способ разделения изотопов и тихо радовались неспешной наработке делящихся изотопов, втайне считая, что у СССР дела с обогащением урана обстоят или на похожем уровне, а возможно — и того хуже.

При этом, что интересно, по стоимости газодиффузного способа разделения изотопов и сейчас часто любят делать заключения о "низком EROEI" ядерной энергетики, объявляя, что она работает чуть ли не на значениях EROEI 4:1 или ниже. Для начала разберём — что это составляет в абсолютных цифрах потраченные на обогащение кВт-часы и как они отражены в полученных килограммах урана?

Например, французский газодиффузионный комбинат "Евродиф" в Пьерлате электроэнергию на поддержание своего технологического процесса получает от 4 рядышком стоящих ядерных реакторов. То есть 3 000 МВт их электрической мощности и 26,280 млн. МВт-ч произведенной за год электороэнергии расходуются на производство 8,5 млн. ЕРР. В перерасчёте на "штуки" — каждый ЕРР на газодиффузном заводе обходится в 3 091 кВт-часа.
Для сравнения, в классической книге "Экономика ядерной энергетики: Основы производства ядерного топлива" Синева приведено для сравнения энерготопотребление центрифуг образца 1982 года — около 100 кВт-часов/ЕРР. Потребление же газодиффузной технологии тоже оценено в этой книге, как "в ~25 раз более высокое", то есть — составляет около 2 500 кВт-ч/ЕРР.
Согласно же последним оценкам, современные центрифуги как российского, так и европейского производства берут 50-60 кВт-ч на каждую ЕРР.

Слава богу, жить французскому газодиффузионному комбинату осталось приблизительно до 2015 года, а далее там останутся уже только одни центруфуги. Аналогичная ситуация складывается и в США — энергетический, а не "военный" подход к вопросу заставляет США закрывать газодиффузный комбинат USEC и переходить на европейские технологии центрифуг, о чём я уже писал в прошлом материале.

Как видим, для производства урана реакторной чистоты — нам надо потратить 6-9 ЕРР на килограмм продукта. Или, в случае использования центрифужного способа производства урана — 600-900 кВт-ч на 1 килограмм урана. С центрифугами нового поколения — и того меньше, всего лишь 300-450 кВт-ч на 1 килограмм урана. Исходный продукт, как мы помним, тоже никуда при этом не исчезает, просто он оказывается обеднён изотопом 235U и мы спокойно оставляем его лежать в отвалах — к перспективам его использования мы вернёмся ниже.
Для же газовой диффузии, даже если использовать оценки Синева, а не фактическое потребление "Евродифа", которое ещё на 20% выше, то получится уже гораздо более печальная цифра — от 15 000 до 22 500 кВт-ч на 1 килограмм урана.

При использовании современной реакторной технологии 1 кг урана, обогащённого до реакторной чистоты, достаточно для производства 315 000 кВт-ч электроэнергии. В случае газодиффузной технологии 7% энергии при этом надо было бы потратить на обогащение самого урана, в случае же использования центрифуг нового поколения эти расходы уменьшаются до смешного уровня в 0,2%. (Ну — или в понятных нам EROEI, эта фаза уранового топливного цикла работает уже с коэффициентом 500:1).

То есть, внезапно разделение изотопов, до определённого момента будучи очень затратным и хлопотным делом, сразу и навсегда становится простым и дешёвым процессом.

Собственно говоря, отсюда и следует первый интересный факт — к 1990-му году СССР уже наработал тонны и тонны дешёвого оружейного урана, а США и Франция всё ещё сидели на дорогом и малопроизводительном "газодиффузном" уране. Как я писал, "побег Циппе" за рубеж с чертежами недоделанной советской центрифуги "сухумского разлива" ничего глобального Западу не дал — к 1990 году самые передовые западные центрифужные технологии Urenco всё ещё болтались в коротких штанишках опытных разработок.
Как следствие, к 1990-му году США смогли наработать (всего!) около 500 тонн оружейного урана, а Франция — ещё гораздо меньше.

Именно в такой исторической ситуации Россией и была начата программа ВОУ-НОУ (высокообогащённый уран в низкобогащённый уран, HEU-LEU по-английски). Соглашение ВОУ-НОУ было заключено в 1993 году и предусматривает необратимую переработку накопленного российского оружейного урана в топливо для атомных электростанций США. Соглашение рассчитано на 20 лет — до 2013 года, и предусматривает переработку 500 тонн накопленого ещё во времена СССР оружейного урана, что соответствует 20 000 уничтоженных ядерных боеголовок. Боеголовка условно принята содержащей 25 кг урана, на самом деле речь, понятно идёт об "эквиваленте" — по факту разубоживается и отгружается просто оружейный уран из советских запасников. Фактическая статистика программы ВОУ-НОУ, если что, есть тут.


USEC признала отсутствие экономической целесообразности у проекта Американская центрифуга

Компания USEC впервые официально признала, что проект "Американская центрифуга" не будет экономически целесообразным в ближнесрочной перспективе.

"При текущих ценах на рынке мы не считаем, что наши планы по коммерциализации технологии ACP (центрифужного обогащения) станут экономически обоснованными без дополнительной поддержки от правительства", - цитирует слова президента USEC Джона Уэлча издание "Nuclear Intelligence Weekly".
Уэлч предположил, что проект ACP может быть свёрнут в январе 2014 года. Компания не раскрывает, какой объём средств понадобится ей для предотвращения подобного шага.
Завод "Американская центрифуга" в Пайктоне призван стать первым в США предприятием, использующим центрифужный метод для обогащения урана и принадлежащим американской компании. В настоящее время в стране действует только устаревший газодиффузионный завод в Падуке, и большая часть ЕРР для работы американских АЭС импортируется из-за рубежа.

В состав первой очереди завода должны входить 96 каскадов, в каждом из которых будет по 120 центрифуг типа AC.

В августе 2009 года министерство энергетики США отложило принятие решения о выделении госгарантий для завода в Пайктоне. В ответ, USEC приступила к увольнению специалистов, занятых на сооружении завода.
В июне 2012 года USEC подписала пакет соглашений с министерством о совместном финансировании программы НИОКР и демонстрации по центрифужным технологиям. На данный момент, министерство выплатило USEC 134,4 миллиона долларов из общей оговоренной суммы 250 миллионов.
Помимо "Американской центрифуги", свои центрифужные заводы на территории Соединённых Штатов собираются разместить европейские компании URENCO и AREVA.