История ракетно-ядерной гонки США и СССР - Евгений Вадимович Буянов

Сухумском физико-техническом институте (НИИ-5, где работала группа немецких физиков, переехавшая в СССР) под руководством нобелевского лауреата Г. Герца профессором М. Штеенбеком, инженером Р. Шеффелем и физиком Г. Циппе. Поначалу и эти работы не привели к успеху, но они позволили увидеть новые пути развития конструкции центрифуги и внедрить в её конструкцию новые элементы, технологии и материалы. В течение 50-х годов в ЦКБМ постепенно были разработаны новая конструкция и новая технология разделения урана на газовых центрифугах. Исходной здесь была газовая центрифуга Штеенбека, конструкция которой с длинным ротором казалась неудачной и неработоспособной (примерно как первая конструкция газодиффузионной машины). Но учёным и изобретателям ЦКБМ удалось постепенно существенно изменить конструкцию, упростить её и ввести ряд таких усовершенствований, которые сделали её и работоспособной, и очень эффективной. Короткий ротор центрифуги позволил уйти от резонансных колебаний ротора, собственные частоты колебаний которого лежали выше частоты вращения ротора. Использовали магнитную подвеску ротора и стабилизирующую нижнюю иглу с искусственным рубином и масляной ванной – эти узлы разработали немецкие физики, а технологически их «довели» советские учёные. В конструкцию ввели ряд изменений, которые позволили правильно рассчитать и использовать процесс циркуляции газа внутри ротора центрифуги, и выполнить подвод и отбор газа с помощью трубок Пито. Немецким учёным такая конструкция казалась неработоспособной, и вначале она действительно не работала. Но опыт, накопленный ещё в 40-х годах, позволил коллективам Синёва и Кикоина И. усовершенствовать её так, что она стала работать очень эффективно при больших скоростях вращения ротора. В конструкции удалось удачно использовать эффекты, которые, как казалось вначале, делали её неработоспособной (например, скачки уплотнения газа на трубках Пито, игравших роль насосов). И удалось сделать конструкцию такой, что она легко соединялась с подобными центрифугами в каскады. Схема такой «докритической» русской центрифуги с коротким ротором длиной 500 мм и диаметром 100 мм является следующей является следующей – см. рисунок.

Примечание. Принцип работы газовой центрифуги. Гексафторид урана при определённой температуре и давлении подается в центрифугу через трубопровод питания 2 и поступает в роторное пространство возле оси ротора в его центральной части 9. Вследствие высокой скорости вращения ротора (линейная скорость на его периферии 600 и более м/сек) газ концентрируется у его стенки, где его давление может составлять десятки тысяч паскалей. Стенка ротора увлекает газ за собой и отталкивает его к центру, создавая центростремительную силу, заставляющую газ двигаться по окружности. Напротив, вблизи оси ротора образуется так называемое «вакуумное ядро» из менее плотного газа. Анализ физических процессов, происходящих в газовой центрифуге, показывает, что эффективное разделение компонентов смеси происходит только при наличии осевой циркуляции газа внутри ротора. Такая циркуляция (показанная на рисунке стрелками) обеспечивается, например, созданием осевого температурного градиента, – перепада температур, – за счет внешнего источника тепла (разницы температур в верхней и нижней частях ротора). При циркуляции наибольшая разность в концентрации легкого и тяжелого изотопов устанавливается в торцевых частях центрифуги, – нижней и верхней соответственно, причём и на разном радиальном расстоянии. Т. е. здесь используется и эффект термодиффузии в газе, – более лёгкие молекулы сильнее отталкиваются «горячей зоной» в сторону «холодной зоны», чем более тяжёлые, и их концентрация в нижней части ротора увеличивается. С целью отбора продуктов деления в центрифуге предусмотрены диафрагмы 10 с отверстиями, вращающиеся вместе с ротором, и неподвижные газоотборники 4, 11, представляющие собой тонкие изогнутые трубки Пито. Трубка Пито является своеобразным «насосом» – отсасывающим газ устройством, в котором скорость газа падает, а давление газа увеличивается. Обогащенная легким изотопом фракция (продукт) выводится с помощью газоотборника 11 в трубопровод 3. Тяжелая фракция – отвал (или хвост) отбирается трубкой 4 и поступает в канал 1. Поддержание вакуума внутри между внешней оболочкой центрифуги и её ротором обеспечивается специальными молекулярными уплотнениями 7 (вакуумный насос). Машины компонуются в блоки по 20 центрифуг, соединенных параллельно, называемые агрегатами. Агрегаты монтируются на стеллажи – до 7 этажей высотой.

Схема противоточной газовой центрифуги с жёстким ротором – проблемные места обозначены красной линией (трещины труб) и синей линией (нагрев крышки)

Агрегат центрифуг

Главное преимущество газоцентрифужного метода перед газодиффузионным состоит в том, что теоретический коэффициент обогащения в газовой центрифуге зависит от произведения разницы молекулярных масс изотопов гексафторида урана на квадрат линейной скорости, а не от отношения разности масс к молекулярной массе разделённых молекул. При изменении скорости вращения от 350 до 600 м/с он изменяется от 0,068 до 0,233, т. е. превышает теоретический коэффициент обогащения в газовой диффузии в 16–55 раз. Практический коэффициент будет отличаться от теоретического, что обусловлено реальными условиями и параметрами газодинамического потока. А существующие материалы позволяют создать докритическую центрифугу при соотношении длины к диаметру не более 5. Увеличения коэффициента обогащения за счёт длины можно достичь в надкритических центрифугах, которые при создании требуют решения значительно более сложных проблем, чем докритические центрифуги. Надкритические центрифуги ввиду наличия низких по значению собственных частот длинных роторов при разгоне должны проходить через эти критические частоты, вызывающие значительные колебания ротора. Долгое время такие центрифуги не могли создать из-за разрушения длинных роторов на критических частотах.

Ротор ГЦ крутится на магнитной подвеске практически без трения со скоростью 1650 оборотов в секунду! Внизу ротор удерживается иглой, радиально опирающейся на искусственный рубин (как в часах, но более крупный). Динамику ротора удалось рассчитать и отрегулировать стабилизацию с помощью расчётов гибких роторов гироскопов, – необходимый опыт взяли из другой области техники. Процесс закалки игл токам высокой частоты для центрифуги помогли решить электрики во главе с член-корр. АН СССР профессором ЛЭТИ Вологдиным В. П.

При одном из экспериментов с газовой центрифугой при большой скорости вращения произошёл срыв крышки центрифуги, которая ударила в стальную стенку шкафа толщиной 6 мм. От удара образовалась глубокая вмятина со сквозной трещиной стенки. Ясно, что эта вращающаяся крышка могла убить человека.

Когда процесс производства центрифуг и на газовых центрифугах был налажен, затраты электроэнергии на выход единицы продукции снизились в 25, а позже – в 30–50 раз. А ведь половину стоимости продукта при производстве на газодиффузионных машинах составляла как раз стоимость электроэнергии. Но резко сократилась не только стоимость, – резко увеличилась и производительность заводов с миллионами центрифуг в каскадах.

Это тоже произошло не сразу, а в результате сложного процесса развития центрифуг и их технологии. При массовом внедрении центрифуг проявился непонятный эффект разрушения центральных труб крышек по образующим, – вдоль края сторон цилиндра после упрочнения крышки пластиком. Труба крышки заделывалась в пластик. И почему-то часть труб через некоторое время трескалась вдоль образующей (вдоль оси цилиндра). Анализ нагрузок