На Новосибирском заводе химконцентратов побывали редакторы научно-образовательного проекта ТАСС «Чердак» и узнали, почему производство ядерного топлива очень безопасно, как лазер заменил на предприятии женщин и чем отличаются тепловыделяющие сборки российских АЭС от зарубежных.

Новосибирский завод химконцентратов (НЗКХ) — одно из предприятий промышленного района Новосибирска, построенных сразу после войны, в 1948 году. Рядом с ним — ТЭЦ, завод имени Чкалова и другие предприятия. На самом деле, на этой площадке планировалось производить автомобили — дизельные грузовики грузоподъемностью четыре тонны. Но для производства большого количества топливных блоков уран-графитовых реакторов, которые тогда выпускали на заводе в подмосковной Электростали, нужно было построить еще одно предприятие в другой части страны. Выбор пал на новосибирскую площадку: здесь были почти построены пять производственных корпусов и здание котельной, было удобное транспортное сообщение. После решения о передаче строительной площадки под строительство химико-металлургического завода большую часть оборудования отправили в Минск. С тех пор на НЗХК освоено производство основного вида топлива для АЭС — диоксида урана. Сейчас на заводе работают более полутора тысяч человек.

Химический процесс производства диоксида урана, строго говоря, основан на единственной химической реакции — синтезе диоксида урана (UO₂) из гексафторида урана (UF₆). Дальше полученный порошок прессуют и герметизируют диоксид урана в циркониевых трубках. Чтобы гексафторид стал топливом, то есть оксидом, уран нужно восстановить (перевести из степени окисления +6 в +4) и одновременно провести гидролиз вещества для получения оксида из фторида.

UF₆ + H₂ +2H₂O = UO₂+ 6HF

Кроме основного продукта — UO₂ — есть и побочный — плавиковая кислота (раствор фтороводорода). Помните, в кабинетах химии все реагенты хранились в стеклянных банках и колбах, и только плавиковая кислота — в пластиковой? Это единственное из широко распространенных веществ, растворяющее стекло (оно же — ценный реагент для химического синтеза). До 2010 года диоксид урана производили «мокрым» методом, после — на новой линии методом ВПГ (восстановительного пирогидролиза). «Мокрые» методы предполагают наличие воды в реакционной среде, то есть использование растворов, тогда как более эффективные «сухие» обходятся водородом и водяным паром.

Собственно, здесь можно было бы закончить рассказ о безопасности завода. И диоксид урана, и его гексафторид — порошки, совершенно стабильные и невзрывоопасные. Единственный риск — радиоактивность, но на заводе работы с этими материалами ведутся со строжайшим соблюдением норм по радиационной охране труда. «Выйти» за территорию завода порошкам вряд ли удастся — все выходы оборудованы точными датчиками радиации. Так что жители города могут быть спокойны: никакого тайного реактора, о котором корреспондент «Чердака» с удивлением услышал от новосибирцев, на заводе нет, а радиационный фон там не выше, чем на покрытых гранитом набережных Невы в Санкт-Петербурге.

Плавиковая кислота — другой случай, это и правда очень химически активное вещество (шутка ли — стекло растворить), но объемы ее производства (побочного) на заводе совсем не велики, итоговая концентрация не выше 20%, поэтому даже при какой-либо нештатной ситуации она разве что повредит оборудование в цехе. Жителям города, опять же, от нее никакого вреда: скорее плохи ТЭЦ на угле, производящие далеко разносимую ветром мельчайшую угольную пыль (вред некоторых наноразмерных объектов для легких — отдельная история).

Но вернемся в цех, чтобы понять, как получаются красивые топливные стержни для АЭС, знакомые многим по наглядным макетам в Политехническом музее.

Сначала полученный порошок механически обрабатывают: дробят, просеивают, растирают. На выходе получается гранулят, в котором частички гораздо более однородны по размеру. Это важно: в топливных элементах не должно быть дефектов плотности, чтобы не допустить локального повышения концентрации радиоактивного компонента и, соответственно, локального перегрева этого участка.

Полученный гранулят смешивают с пластификатором — веществом, которое помогает оксиду металла слипнуться в таблетки. Так на производственном жаргоне почему-то называются элементарные блоки топливного элемента, больше похожие на маленькие цилиндры размером с фалангу женского мизинца.

Смесь подают на пресс, который и прессует гранулы диоксида урана в таблетки. Следующая стадия — печь спекания. Это главное «горнило» для топлива: там в течение 17 часов при температуре до 1770 градусов по Цельсию таблетки проходят спекание и отжиг. Этот технический термин означает своеобразную очистку температурой (да еще и в чистой восстановительной среде водорода): из таблеток уходят все оставшиеся летучие примеси, а именно вода, остатки фтора, добавленный ранее пластификатор. Одновременно совершенствуется структура таблеток: при высокой температуре атомы в сверхпрочных кристаллических решетках твердых веществ становятся чуть более подвижными, что позволяет им встать на «правильные» места, исправив дефекты кристаллической решетки.

После спекания таблетки идут на шлифовку: совершенной должна быть не только их внутренняя структура, но и поверхность, а размер — строго заданным и одинаковым. Почему таблетки оказываются разными, если их прессуют в одинаковых формах? Дело в том, что они немного изменяются при отжиге, когда «лишние» фрагменты из внутренней структуры как раз и «выходят» на поверхность. От них и избавляются шлифовкой. После этого этапа диаметр таблеток составляет 7,56-7,57 мм, то есть друг от друга отличаться они могут не более чем на 0,01 мм. Интересная деталь — контроль качества. Раньше эту работу выполняли вручную женщины (практика показала, что мужчины не могут долго аккуратно выполнять однообразную работу — отвлекаются и пытаются внести творческое зерно, которое здесь совсем не нужно), но с 2014 года их заменила автоматическая линия, которая контролирует внешний вид и измеряет размеры таблеток с помощью лазера.

Результат автоматизации ощутимый: если в 2011 году на трех линиях выпускалось 600 тонн таблеток в год, то в 2014-м — 450 тонн всего на одной линии. Теперь завод может производить до 1000 тонн топлива в год и ждет заказов (от кого, поговорим чуть позже). Аккуратным женщинам предложили работу в других подразделениях предприятия.

Сейчас наша линия полностью обеспечивает контроль качества: бракованная продукция через нее не проходит. Другой вопрос, что ошибочно отбраковывается и часть хороших образцов, и мы работаем над этим, но главное для нас всегда — не допустить брака, — технолог цеха Евгений Мильчаков.

Впрочем, и отбракованные таблетки не теряются: в специальной печи их окисляют до закиси-окиси урана, а потом пускают в цикл производства порошка топлива.

Собственно, с этого момента топливо готово — осталось его хорошо упаковать. Тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) формируются, когда таблетки герметично завариваются в полые трубки из циркония (их производят в Удмуртии, в городе Глазове). Процесс сварки проходит в среде инертного газа, ТВЭЛы контролируют так же тщательно, как и сами таблетки: они должны быть идеальными, чтобы в реакторе не возникало локальных перегревов. Полученные тепловыделяющие элементы собирают в шестигранные пучки — это готовые ТВС (тепловыделяющая сборка, так называют пучок ТВЭЛов) для реакторов типа ВВЭР-1000. Сегодня поставки этого топлива ведутся в Россию, Украину, Болгарию, Иран, Индию и Китай.

Шестигранные ТВС (реакторы имеют круглое поперечное сечение) используются на реакторах российского производства — это примерно 16% реакторов в мире. Западные реакторы используют четырехгранные ТВС, и их на НЗХК тоже научились делать. Сейчас опытная партия стоит на испытаниях на реакторе в Швеции, и, если пробный период пройдет успешно (а на это есть все основания), новосибирское ядерное топливо станет востребованным на гораздо более широком рынке. Тогда наверняка пригодится потенциал в 1000 тонн таблеток в год.

Существуют области научного знания и построенные на них технологии, которыми в современном мире пользуются все, но при этом они редко оказываются в фокусе общественного внимания. К ним можно отнести криптографию и стеганографию. Криптография – это наука о методах обеспечения конфиденциальности (невозможности прочтения информации посторонними) и аутентичности (целостности и подлинности) информации. Стеганография – это наука о скрытой передаче информации путем сохранения в тайне самого факта передачи. То есть, криптография призвана защищать содержание передаваемой информации, а стеганография – скрывать сам факт наличия скрытых сообщений. Соответственно, существуют и науки о дешифровке сообщений и обнаружении скрытой информации – криптоанализ и стеганоанализ.

Время от времени, криптография и стеганография привлекают широкое общественное внимание. Так было, например, после терактов в США в сентябре 2001 года, когда в ряде СМИ прошли сообщения о том, что «Аль-Каида» при подготовке атаки на Всемирный торговый центр пользовалась методами стеганографии для передачи сообщений. Всплеск интереса к этим областям знания произошел и в 2013 году, когда сотрудник американского Агентства национальной безопасности (АНБ) Эдвард Сноуден раскрыл факты глобального шпионажа своей спецслужбы против десятков стран мира. В ходе этого шпионажа массово использовались методы дешифровки информации.

Так АНБ прослушивала разговоры руководителей многих стран мира, в том числе и своих союзников. Сноуден рассказал и о том, что его коллеги пытались прослушивать и президента России. Но эти попытки оказались безуспешными.

Из этого можно сделать вывод о том, что в нашей стране криптография и стеганография находятся на должном уровне. Что и подтвердилось в ходе нашей беседы с доктором технических наук, профессором, заведующим лабораторией информационных систем и защиты информации Института вычислительных технологий СО РАН Борисом Яковлевичем Рябко. Предваряя наш разговор, отмечу, что Борис Яковлевич – ученый с мировым именем, автор более двухсот работ в области теории информации, криптографии, стеганографии,  дискретной математики и математической биологии.

Криптография на гражданской службе

Первые документально зафиксированные свидетельства об использовании методов криптографии и стеганографии относятся к Древней Греции, временам жизни и творчества Геродота, Платона, Аристотеля. Аристотель, например, сам занимался расшифровкой знаменитого спартанского шифра «сцитала». Но до середины ХХ века криптография и стеганография применялись почти исключительно в сфере военного дела, дипломатии, разведки и, соответственно, контрразведки. Отсюда закрытость этих наук и засекреченность исследований и разработок. И только во второй половине ХХ века эти науки, что называются, «снимают погоны» и начинают широко применяться в гражданских сферах, в первую очередь в бизнесе. Впрочем, главная характерная особенность этих наук – обеспечение безопасности и секретности информации сохраняется и при их мирном применении. Однако открытость этих «секретных наук» привела к их взрывному росту, сейчас по этим направлениям издаются десятки международных научных журналов, ежегодно выходят сотни книг, проводится множество научных конференций. Все знают, что мы живем в информационную эру, но чем больше становится информации, тем актуальнее задача обеспечения ее безопасности.

Вот что говорит Борис Яковлевич Рябко о  современном использовании методов криптографии. В этой сфере как раз работает его лаборатория. «Интернет в принципе был бы невозможен без достижений современной криптографии. Простой пример, когда вы покупаете билет на самолет или поезд (или билет в кино или театр) по интернету, вы сообщаете номер своей карточки. Этот номер передается по компьютерным сетям и, казалось бы, любой злоумышленник может его скопировать и тут же купить не то, что билет, а самолет, если на карте достаточно денег. Почему этого не происходит? Номер шифруется. И покупатель, и продавец никогда раньше не видели друг друга, у них нет совместных шифров и паролей и, тем не менее, благодаря методам современной криптографии, конфиденциальность информации гарантируется. То же касается покупок в интернет-магазинах, расчетов по кредитным карточкам, переводов заработной платы, электронной почты, скайпа и многого другого. Без использования криптографии интернет мог бы использоваться только как телевидение или радиовещание, то есть только в одну сторону.

Мобильная телефонная связь – это  тоже сфера применения криптографии. И мировая финансовая система в современном виде была бы без ее невозможна, поскольку биржи ведут торги через интернет, через него же идут межбанковские расчеты. Использование электронных подписей тоже невозможно без криптографии.

По словам Бориса Яковлевича, отечественная школа криптографии всегда стояла на высоком уровне, в частности, в ХХ веке она внесла большой вклад в становление математической криптографии. И сегодня Россия выглядит очень прилично с точки зрения развития криптографии и криптоанализа. У нас есть свои стандарты на шифры и с открытым и с закрытым ключом, они соответствуют мировому уровню. В современном мире это большая редкость. Независимых криптографических держав сейчас  вряд ли больше, чем ядерных. Россия в их числе.  В это вносит свой вклад и Институт вычислительных технологий СО РАН, в том числе и лаборатория, которой  руководит Рябко. И все же стоит признать, что центр развития гражданской криптографии находится на Западе, это объективно обусловлено хотя бы тем, что главный потребитель ее разработок – бизнес, финансовые структуры там несравнимы с тем, что есть в нашей стране, а спрос рождает предложение. Криптография сегодня призвана защищать в первую очередь коммерческие тайны в самом широком смысле этого слова.   

Юрий Курьянов

Завтра во второй части – почему и как взламывают шифры, как можно обеспечить защиту от взлома и   чем занимается стеганография

«Газета.Ru» подробно изучила аппарат «Луна-Глоб», с которым Россия планирует вернуться на Луну впервые за 40 лет. Разбираться в тонкостях уникальной миссии помогал один из ее создателей.

«Газета.Ru» ознакомилась с устройством миссии «Луна-Глоб», запуск которой в конце 2018 – начале 2019 года будет символизировать возвращение России на Луну, куда наши аппараты не садились более 40 лет, с 1976 года.

«Эта миссия научно-технологическая. Мы хотим там делать науку, а технологическая она в том смысле, что нам нужно вернуться на Луну, научиться садиться, выживать в течение лунной ночи, поскольку многое из того, что было сделано еще в 1970-е годы, уже утрачено», — рассказал «Газете.Ru» Владислав Третьяков, научный сотрудник отдела ядерной планетологии ИКИ РАН, где будет изготовлено большинство приборов миссии.

Спускаемый аппарат приземлится в кратере Богуславский в районе Южного полюса Луны. Чтобы зонд оставался работоспособным в течение ночи, на нем предусмотрен так называемый РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрогенератор, превращающий тепло распада плутония в электричество, и просто изотопный источник тепла.

Всего на аппарате, окончательный облик которого вырисовался лишь недавно, будет установлено 10 научных приборов, из которых девять — отечественного производства.

Совершить посадку аппарат должен будет вскоре после лунного «рассвета». Главным инструментом, по крайней мере с точки зрения научного пиара миссии, станут телевизионные камеры. Сразу же после посадки четыре камеры будут снимать панораму местности, две стереокамеры будут смотреть вниз и снимать зону работы манипулятора. Кроме того, еще две камеры будут помогать аппарату мягко садиться на поверхность Луны в условиях полярного дня,

когда Солнце находится низко над горизонтом и любой камень может отбрасывать длинную тень, затрудняющую ориентацию на поверхности.

Сесть на Луну зонд должен так, чтобы определенной стороной быть обращенным на Солнце — на этой стороне находятся манипулятор и большинство научных приборов.

Манипулятор, установленный сбоку корабля, имеет три функции. Он может копать, забирать образцы лунного грунта и выдавливать их, как из шприца, в другой научный прибор — лазерный масс-спектрометр для элементного, химического и изотопного анализа состава.

Этим же целям будет служить нейтронный гамма-спектрометр, который по гамма-линиям будет исследовать элементный состав грунта. На самом манипуляторе будет установлен инфракрасный спектрометр с двумя телевизионными камерами. Камеры помогут наводиться на определенные участки грунта или камней, после чего спектрометр по отраженному от них инфракрасному излучению Солнца сможет оценивать элементный состав.

Еще один прибор будет заниматься изучением состава так называемой лунной экзосферы — тонкой атмосферы, состоящей в основном из плазмы, нейтральных частиц и пыли, которая поднимается над поверхностью из-за ее постоянной электризации Солнцем.

Большая часть приборов будет находиться в верхней части аппарата, между четырьмя плоскостями солнечных батарей, на так называемой термостабилизированной панели.

Единственный иностранный прибор, шведский, будет изучать ионную составляющую экзосферы.

Отдельный инструмент, разработанный, как и большинство других в ИКИ РАН, будет изучать взвешенную над поверхностью Луны пыль. Он состоит из керамических пластин, при ударе пылинок о которые он будет определять их скорость, энергию, размер.

Еще один прибор, который в настоящее время разрабатывают в институте ГЕОХИ РАН, будет изучать тепловые свойства грунта. Специальный датчик, который коснется грунта при посадке, будет исследовать скорость его остывания в пассивном и активном режиме, специально нагревая грунт.

Подобно луноходам и некоторым американским миссиям «Аполлон», «Луна-Глоб» доставит на спутник Земли уголковый отражатель, изготовленный ОАО НПК «Системы прецизионного приборостроения».

При помощи лазерного облучения отражателя с Земли будет возможно отслеживать мельчайшие движения Луны, а по ним — изучать неоднородности ее внутреннего строения.

Благодаря именно лазерной локации сегодня ученые знают, что из-за приливного взаимодействия Луна удаляется от Земли на 4 см ежегодно.

Если все пройдет гладко, миссия должна проработать на Луне год — то «просыпаясь», то «засыпая» во время двухнедельных лунных дней и ночей, когда работать на станции продолжают только внутренние часы.

«Главное отличие от советских миссий, которые занимались доставкой грунта на землю, станет его прямое изучение на борту. И во-вторых, это выживание в течение лунной ночи, что удалось в свое время только нашему луноходу. И конечно, это первая полярная миссия, поскольку все прошлые миссии, наши и зарубежные, были в экваториальных широтах», — пояснил Третьяков.

Посадочный аппарат «Луна-Глоб» в масштабе 1:1 в эти дни впервые представлен публике на Международном авиакосмическом салоне МАКС-2015.

Как известно, Сибирь традиционно относят к зоне рискованного земледелия, включая сюда даже Алтайский край с его плодородными землями. Такой «вердикт» вынесен давно, и обсуждению даже не подлежит. Многие из нас окончательно свыклись с мыслью о том, будто высокопроизводительное сельское хозяйство ни одному сибирскому  региону не подходит в принципе. Как говорится, «не до жиру – быть бы живу». Тем более если речь идет о выращивании качественных сортов злаковых культур. Здесь, казалось бы, сибирякам никогда не угнаться за хлеборобами Черноземья и Кубани.

Однако не будем спешить с  выводами. Прогресс не стоит на месте, а потому приход науки в сельское хозяйство неизбежен. Современные методы селекции растений способны заметно изменить ситуацию в лучшую сторону, открыв сельским труженикам новые возможности, невиданные еще каких-то двадцать-тридцать лет назад. Во всяком случае,  сибирские ученые-генетики сегодня в состоянии предложить сельским труженикам очень качественный семенной материал, наилучшим образом подходящий именно для наших климатических условий.

Напомним, что недавно, после объединения Института Цитологии и генетики СО РАН с Сибирским НИИ Растениеводства и селекции, был создан первый в нашем регионе Федеральный исследовательский центр (ФИЦ). По словам заместителя директора по общим вопросам, экономике и информационной политике ИЦиГ СО РАН Сергея Лаврюшева, одной из задач, поставленной перед новой организацией, стало создание современной семеноводческой базы, основанной на передовых методах геномной селекции. И в ближайшей перспективе, благодаря деятельности ученых, можно будет  осуществить качественную замену семенного материала для наших сельхозпроизводителей (попутно решив вопрос импортозамещения). И с этой задачей, считает Сергей Лаврюшев, Федеральный исследовательский центр в состоянии справиться.

«В скором времени, - уточнил он, -  нами будет сформирован селекционно-семеноводческий центр регионального, а может  даже федерального значения, который станет обеспечивать качественными семенами российских сельхозпроизводителей.  Вдобавок ко всему мы будем оказывать экспертную и образовательную поддержку приобретателям наших семян».

Особую роль, конечно же, будут играть здесь современные методы селекции. Именно современные! Надо сказать, что за последнее время наука в этих вопросах шагнула далеко вперед. А Федеральный исследовательский центр, созданный в Академгородке, находится (без всякого преувеличения) на переднем крае науки, ни в чем не отставая от зарубежных исследовательских центров. Геномная селекция – это как раз одно из современных направлений, позволяющих провести ускоренный селективный отбор, вывести новый сорт в течение четырех-пяти (максимум – десяти) лет, что примерно в пять раз быстрее, чем при использовании традиционных методов, где на выведение нового сорта отводилось до двадцати лет.

Суть в том, что при геномной селекции все важные свойства растения – как хорошие, так и плохие – определяются еще на уровне проростка.  Например, мы можем сразу, на ранних стадиях, определить, будет ли это растение устойчивым к ржавчине и другим болезням, насколько оно будет урожайным и так далее. То есть не надо дожидаться, когда оно пройдет все фазы роста. Отбор можно провести на самых ранних этапах. Именно поэтому время выведения нового сорта значительно сокращается.

Понятно, что такая методика возможна только при соответствующем техническом оснащении. Федеральный исследовательский центр в этом плане укомплектован на достаточно серьезном уровне. Кроме того, учитывая, что в его распоряжении находится более 35 тысяч га земель сельхозназначения, имеется возможность получать семеноводческую продукцию в достаточно больших объемах, предлагая отечественным хозяйством элитные и суперэлитные семена,  параллельно повышая саму культуру агротехники. И произойдет это, скорее всего, в ближайшее время, где-то в течение двух-трех лет.

Главное внимание в настоящий момент уделяется злаковым растениям. В первую очередь речь идет о таких культурах, как овес, пшеница, рожь. Качественные показатели новых семян имеют здесь принципиальное значение. Большой упор делается на выведении озимых сортов, что очень важно как раз для зон «рискованного земледелия». Как известно, если в конкретный год не задался урожай яровых, то эта потеря компенсируется за счет озимых культур. 

В хороший год, утверждает Сергей Лаврюшев, урожайность озимых может дойти у нас до 54 центнеров с гектара, что вполне сопоставимо с Краснодарским краем. Поэтому ИЦиГ СО РАН давно уже выступает за увеличение клина озимых (до 15 – 20% от посевных площадей), чтобы иметь подстраховку на случай низкой урожайности яровых.

 «В этом случае, - уточняет Сергей Лаврюшев,- у нас появляется так называемая продовольственная подушка безопасности: если яровые не уродились, то тогда на девяносто процентов можно быть уверенными, что будет нормальный урожай для озимых. И наоборот». 

Таким образом, при указанном научно подкрепленном подходе к посадкам  наши Западно-сибирские регионы способны выйти из зоны рискованного земледелия, став совершенно самодостаточными с точки зрения обеспечения себя продовольствием.  В этом плане мы ничуть не уступим тому же Краснодарскому краю. А при нормальном развитии дела юг Западной Сибири реально способен стать новой житницей для всей страны.

Олег Носков