近两个月以来，绿色和平组织和环保主义者一直在开展运动，禁止从德国进口贫乏的六氟化铀（DUHF）到俄罗斯。 我从一开始就已经谈到了这个故事：他们是否已
开始从欧洲将放射性废物进口到俄罗斯？ 我们了解 。 在过去的一段时间里，我不得不在媒体上就该主题发言多次（
这里是其中的一些内容 ），参加了
在Novouralsk的
公开讨论 ，以及与进口的主要反对者之一进行的
面对面的公开讨论 。 上周，我参观了新闻发布会，并参观了新富拉尔斯克的UEHK工厂，他们带来了DUF。
UECC的气体离心机-世界上最大的铀浓缩厂因此，在这段时间里，我不仅试图深入研究问题的材料，而且它是巨大而有趣的，并且我对所有内容都进行了深入研究，因此我将在我加深知识的同时尝试补充材料，同时也设法融入问题的社会背景。 让我们尝试按顺序弄清楚这一点，并首先对铀浓缩技术进行历史回顾。
而不是介绍
首先，谈谈核物理。 如您所知，铀被用作核电站的燃料和核武器的填充物。 天然铀由几种同位素组成。 同位素是一种化学元素的原子，其原子核的质量不同。 天然铀由同位素U-235的0.711％和U-238的99.28％组成，也就是U-234的0.01％，但以后要长得多。 在化学上，它们完全相同，但是它们的核性质不同。 为了在大多数核反应堆中使用，核电厂需要将235铀的比例提高到4-5％，而将核武器的比例提高到90％。
铀中铀235同位素的比例增加称为富集。 此过程不应与矿石浓缩相混淆，因为这不是将某些化学元素与废石分离的问题，例如铀与矿石的分离（通常约为1％），而是与同一化学元素的原子分离有关。 因此，该过程也称为同位素分离过程。 显然，该任务将更加复杂，因为化学方法在这里不起作用。 我们需要提出一种仅考虑原子核质量差异的方法，对于铀同位素235和238而言，该差异仅约为1.5％。 绝非易事。
为什么需要六氟化铀？
有多种分离同位素的方法，但是两种生产力最高且历史上更广泛的方法（扩散和离心分离）建议使用气体作为工作介质。 铀的唯一挥发性化合物是其与氟的化合物-六氟化铀（HFC，UF6）。 在大气压力和高达56 C的温度下，它是一种固体物质，但是在加热时，它会从固态转变为绕过液体的气体。 此外，氟仅具有一种稳定的同位素，因此UF6分子的质量差仅由铀同位素决定。 而且，它的三相点（同时以固体，液体和气体形式存在）具有不很高的温度和压力，即。 将其转换为不同的相态不是很困难，但是对于工业应用而言，这很重要。
我马上注意到，在同位素分离过程中恰好需要气态六氟化物。 它仅以固体形式运输和存储在容器中。 它既安全又容易，因为 这是他在常温下的正常状况。
六氟化铀（HFC或UF6）的相图。 作者照片，在UECC拍摄。要了解六氟化铀在核能和核燃料循环中的位置，让我们看一下下图。 她很大，但不要惊慌。 我们只需要注意左上角的四个点和两个极端的点，六氟化物在上面出现和消失。 实际上，在存储过程中，它也消失在左上角的正方形中，但稍后会消失。 应当理解，铀本身不会在任何地方消失，它只是从一种化合物转移到另一种化合物（从氧化物到氟化物，反之亦然）。 一小部分铀元素仅在裂变和其他核反应后在核反应堆中消失。
燃油循环图。 六氟化铀似乎只富集铀。 在此阶段之前和之后，铀以其他化学形式存在。 来源在将铀制成核电站的燃料之前，必须将其提取（从矿山，土壤或将来可能从海水中提取），然后将其转化成氧化物的形式，然后送到特殊的转化工厂中（例如在Seversk或Angarsk） ，已经将其转换为天然六氟化铀（HFC）。 然后，这些氢氟碳化合物被送到浓缩厂（在俄罗斯有四家，最大的是在新乌拉尔斯克，在西伯利亚的三家是在塞维尔斯克，安加尔斯克和泽列诺戈尔斯克），在那里形成了两种产品：浓缩的六氟化铀，被送到燃料生产厂（在新西伯利亚）和Elektrostal，或立即以国外HFC形式提供给外国客户）和贫化的六氟化铀，将其送至浓缩厂储存。 因此，六氟化铀是尚未进入反应器的铀。 尽管有这样的选择，但是它们却很少见。
铀浓缩技术的悠久历史
从历史上看，铀的工业浓缩等大规模任务首先遇到了原子武器的创造者。 替代品是the的生产，而且可以更快地掌握（（我
之前对此进行
了研究 ）。 然后必须迅速解决该问题，并且不惜任何代价。 他们在美国和苏联使用不同的方法进行了实验-气体扩散，电磁方法和离心机。 而且，它们被合并了。
美国人在日本投下了第一枚原子弹的铀，当时他们在电磁装置
Y-12上进行工作 ，该装置使用的原理是区分在磁场中移动的不同质量离子的轨迹。 在苏联，在莱斯诺伊市（当时的斯维尔德洛夫斯克-45市，也位于斯维尔德洛夫斯克州）
的SU-20安装中引入了类似的方法。 但是这种方法只允许使用少量材料，将浓缩率从75％提高到所需的90-94％。 在此之前，浓缩是在扩散机上进行的。 它们生产率更高，适用于大量铀的工业浓缩。
原子弹“孩子”于1945年8月6日降落在广岛，装有64千克铀，其中富含电磁和气体扩散方法，可作为“炸药”。 p两年后，苏联于1951年炸毁了第一枚铀弹。 来源扩散方法的基础是重分子和轻分子在通过（扩散）通过多孔体-膜的过程中的平均速度之差。 这意味着光分子更容易，更快地通过孔，因此，经过膜后，气体中的光原子含量更高。
苏联OK-150中第一台气体扩散机的型号，乌拉尔电化学工厂（UEHK）从那里开始，但后来在封闭的城市Sverdlovsk-44（现为新乌拉尔斯克）中只有813工厂。 UECC博物馆的照片。 右边是压缩机，但左边的垂直圆柱体只是带有过滤器的块，六氟化铀可通过该过滤器扩散在同位素分离中，了解以下几点很重要。 首先，每个单独的单元都进行非常少量的富集。 气体出口处的U-235分子仅比入口处的分子少（百分之十分之一）。 因此，您必须将成千上万辆汽车组合成所谓的级联，气体会通过这些级联，逐渐富集到所需的大小。 1948年，苏联第一个气体扩散工厂D-1（第813号，未来的UECC）拥有3,000台OK-150设备。
UECC的扩散机级联。 UECC博物馆的照片架。其次，这是一种非常耗能的乐趣。 抽气通过过滤器所需的机器数量及其强大的压缩机都需要大量的电力。 植物正在生长，将植物D-2，D-3和D-4添加到D-1植物中。 到1953年，UECC运行着约
1.5万台扩散机 ，功耗为250兆瓦。 到1958年，随着D-5的推出，消耗量增加到800兆瓦，即每年约70亿千瓦时。 在1950年代，苏联在乌拉尔工厂中又增加了三个西伯利亚铀浓缩厂：安加尔斯克电解化工厂（AECC，安加尔斯克，伊尔库茨克州），电化学厂（ECP，泽列诺戈尔斯克，克拉斯诺亚尔斯克地区）和西伯利亚化工厂（SCC，Seversk，Tomsk地区）。 到1950年代末，
苏联多达
3％的电力用于铀浓缩。 同时，在美国，直到冷战结束之前，他们使用最耗能的扩散技术生产核能，并为核电站生产燃料（他们仍然拥有比其他任何人更多的燃料），浓缩
占全部电力的7％ 。
当然，这会带来问题（必须建立强大的发电厂，例如在西伯利亚的大型水力发电站），并部分发行此类发电厂。 关于一个
有趣的故事 ，1958年，CIA分析师
如何根据《 Ogonyok》杂志上刊登的乌拉尔地区电路照片计算出UECC工厂的产能和位置。
图片来自《 Ogonyok》杂志，中央情报局（以及其他消息来源）据此对乌拉尔的核工业进行了研究。 来源美国建造了三座气体扩散厂，第一座在橡树岭（已经关闭），然后在朴次茅斯和帕迪克。 自1956年以来，在英格兰的Capenhurst气体扩散工厂开始在英格兰运营。 自1964年以来在法国-在Pierlatt，然后是Tricasten生产效率更高的工厂。 自1960年以来，在苏联的帮助下，一家气体扩散厂在中国靠近汉州的地区投入运营。
气体离心机
第一代机器被更现代化的设备所取代，但是当第一批气体扩散工厂在欧洲启动时，苏联已经开始向根本不同的浓缩技术过渡，而该技术已成为目前的主要技术-气体离心技术。
什么是离心机，它如何工作？ 原理很简单-气体在离心机中旋转得非常快，并且由于离心加速度的作用，较重的分子将聚集在外围，并且会有更多的轻分子靠近中心。 从理论上讲，一切都很简单。 但是实际上，需要极高的速度，新的坚固材料，电动机，轴承，降低摩擦力，不影响离心机运行的气体入口和出口系统……总之，从核项目一开始，这个想法就在我们国家和美国得到了考虑，但实际上要实现这一目标，比建造原子反应堆要困难得多。 因此，在美国它被丢弃了，特别是因为扩散机很好地完成了它们的任务。 但是在苏联，他们并没有停止传播，而是想到了德国的思想。
是的，这是德语。 由于战俘的德国战俘Zippe和Shteebek，苏联在战后制定了这个方向。 他们在Sukhumi的A实验室（未来的Sukhumi物理与技术学院）工作，然后在列宁格勒的Kirov工厂设计局工作。 但是我们的专家，主要是维克托·谢尔盖耶夫（Victor Sergeyev），积极地采纳和完善了这些想法（例如，抽气系统）。 结果，在1950年代中期，德国人返回了德国（德意志民主共和国的什特贝克，德意志联邦共和国的Zippe，后来他获得了“俄罗斯离心机”的专利），谢尔盖耶夫将第一台俄罗斯离心机带到苏联进行了可行的设计和批量生产。 德国人返回家园，此后，在1957年，该试验场在UECC首次启动，并在1962年-世界上第一座基于气体离心机的铀浓缩厂。
在此处阅读更多有关离心机历史的
信息 。 好吧，还是
这里 。
离心机。 左边是《
大众力学》上一篇文章的图表。 右侧是UECC博物馆的离心机的一部分。
它们是位于第53车间的UECC的第六代气体离心机的级联。每个级联离心机的高度都不超过一米，可以超过1,500 rpm的速度旋转，并且可以像这样工作长达30年。与扩散机相比，紧凑的尺寸使其可以组装成整个部分并放置几层高度。 有色管道是六氟化物的供应和去除。 黄色是原始产品，红色被耗尽，蓝色被丰富。
离心机以及扩散机的最佳连接是一门独立的科学。 称为级联理论。 曾经有过最伟大的思想，包括美国的诺贝尔奖获得者理查德·费曼和保罗·狄拉克，基科因，索博列夫以及苏联的其他人。
在近2公里的多层区域中收集了成千上万的离心机-这只是№53工厂的一个车间...
这就是我和我的同事Alisa Muchnik在小瀑布的背景下。 请注意，我们没有任何防护设备，尽管在离心机中，最易移动的气态形式的六氟化硫有毒。 简而言之，首先，离心机的设计即使在转子的巨大转速导致破损和损坏的情况下，坚固的外壳也能幸免。 其次，在HFC释放室减压的情况下，不会有外部压力，相反，会有向内吸力，因为 转子在真空中旋转。 摄影： Donat Sorokin 。
尽管如此，为了控制大量离心机的正确运行，在每个离心机上都安装了用于设置参数（首先是转数）的传感器-照片中的黑色和白色导线。为什么要去离心机？ 这很简单-离心机的能耗几乎是扩散机能耗的50倍。 这是第一代。 在60多年的时间里，它们已在苏联/俄罗斯被9台取代，并且新一代的离心机已经变得更加高效，经济，可靠。
气体离心机的世代及其参数。 来源自1992年以来，俄罗斯已完全关闭了离心机，关闭了最后的扩散浓缩设备。 尽管UECC的一小部分扩散机仍然存在，但仍可作为过滤器来筛选进入产品的杂质。 第九代离心机的生产率是第一代离心机的14倍，分离成本则低10倍。 UECC已成为世界上最大的铀同位素分离厂（占全球产能的20％）。
原则上，看一次胜于阅读多次。 因此，我建议您观看有关俄罗斯气体离心机的视频，并清楚地显示以下内容：
我注意到，浓缩设备的性能以SWU（分离工作的单位）衡量。 这是一个相当困难的计算数量，但对于理解市场量和生产率很重要。 例如，第一代家用离心机的容量约为每年0.4 SWU，而现代设备的容量则增至每年4-8 SWU。 UECC的总容量每年超过一千万个SWU（几乎占全球浓缩能力的20％）。
顺便说一句，世界最大的诺沃拉尔斯克分离厂消耗了多少能源？ 游戏值得吗？ 答案可以在他们的
年度环境报告中找到 -
每年约10亿千瓦时。 即 平均功耗约115兆瓦。 似乎很多，尤其是因为它已经在使用能耗最低的离心机（很难想象要消耗相同容量的扩散装置）。 但是，必须了解这是世界上最大的此类工厂。 浓缩是燃料循环中最耗能的部分，它负责“原子”电的CO2排放。 大致接受了该工厂生产世界上核电厂燃料总量的20％（尽管实际上更少），它们每年发电
2562 TWh（即25,620万亿千瓦时） ，我们发现核燃料生产比获得它所需的能量高出数百万倍。 这就是原子中巨大的能量集中和燃料循环的“效率”。
有点个人
在我们的乌拉尔（Urals），不仅关闭了10个封闭的“核”城市，而且还建立了关键的核燃料循环工厂，其中包括世界上最大的铀浓缩工厂UECC。 在叶卡捷琳堡
物理研究所，物理研究所还培训核专家，包括 用于铀浓缩工程。 这是在我毕业
的技术物理系 （然后是分子物理）完成的。 是的，我在另一个专业学习，并研究了核反应堆。 但是我未来的妻子正在研究
同位素的
分离 。 就像UECC的现任主席Alexander Belousov一样，尽管他比我们早30年在同一部门学习。 因此，为了熟悉，我还开设了一门有关级联理论的特殊课程-录取表格，丢弃带笔记的笔记本，只能在教师的封闭部分使用...保密和商业秘密。 有趣的是，当2000年代初期物理与技术学院的学生只听扩音机作为故事的一部分时，国外他们用强大的力量和主要力量丰富了铀。
西方是什么？
1956年在苏联“服役”后，工程师Gernot Zippe回到了德国的西部，在那里他决定继续从事离心机的研究。 , , , . . , , . , . 1 20 , 12 0,6 , . (
SET I, II II 1985 ,
2009 ) .
2013 5 ( ) , 3000 …
12 . 来源. , 1970-
URENCO , (.. , ) . , —
3,65 40-80 . 1977 URENCO (. ) (. ), 1985 ( , ), 2010 , .
URENCO , . ( ). .URENCO — ( , TENEX) . ( Georges Besse, URENCO), ( ) , :
— . , WNA ., , —
.
PS 10.01.2020: , , , ,
« » , . , - , , - .