Фокус — в фокусе
РОСАТОМ СЕГОДНЯ / #6_2020
Текст: Екатерина КАТКОВА / Фото: Росатом
От медицины и резки металлов до управляемой термоядерной реакции — таков спектр применения современных лазеров. Росатом — один из мировых лидеров в области лазерных разработок. Вспоминаем, с чего все начиналось, и рассказываем о новейших достижениях российских атомщиков.
Даты
1963
Начало лазерного направления работ во ВНИИЭФе: первое совещание, посвященное лазерам.
1964
Николай Басов и Олег Крохин обнаружили, что зажечь термоядерное топливо можно с помощью мощного лазерного импульса. Был дан старт новому направлению — лазерному термоядерному синтезу.
1972
В ФИАНе проведены первые эксперименты по лазерному сжатию сферических термоядерных мишеней. Во РФЯЦ-ВНИИЭФе начались эксперименты по созданию моноимпульсных лазеров и исследования в области ЛТС.
1973
Построен первый моноимпульсный йодный лазер.
1979
Создана мощная одноканальная установка «Искра‑4» с энергией излучения около 1,5 кДж и длительностью импульса 0,5 нс.
1989
Запущена крупнейшая в Европе лазерная установка «Искра‑5» мощностью 30 ТВт.
1999
Испытан кислород-йодный лазер (КИЛ), работающий в сверхзвуковом режиме.
2000
В ТРИНИТИ создан и испытан мобильный лазерный технологический комплекс МЛТК‑50, предназначенный, в частности, для аварийно-восстановительных работ.
2000-е
Начаты работы по исследованию лазеров на парах щелочных металлов с диодной накачкой.
2005
В ТРИНИТИ начаты работы по созданию мобильных лазерных систем для дезактивации и фрагментации твердых радиоактивных отходов.
2011
Впервые в мире в России на цезиевом лазере получена мощность 1 кВт.
2012
Начало работ по созданию во РФЯЦ-ВНИИЭФе мощной лазерной установки мегаджоульного уровня энергии.
2019
Завершение создания уникальной десятиметровой вакуумной сферической камеры взаимодействия и ее размещение в камерном зале лазерной установки.
Развитием лазерных технологий в Росатоме занимаются специалисты двух крупных предприятий: РФЯЦ ВНИИЭФ (Саров) и ТРИНИТИ (Троицк); по ряду проектов они ведут совместные разработки. Лазерные технологии сегодня востребованы во многих отраслях промышленности, в медицине, в научных исследованиях. Здесь у Росатома накоплены многолетние компетенции — в первую очередь, в создании мощных моноимпульсных лазерных установок для исследований в области инерциального (лазерного) термоядерного синтеза (ЛТС) и физики горячей плотной плазмы.
Однако сегодня атомщики делают лазеры не только для научных исследований: на обоих предприятиях ведутся работы по созданию медицинской лазерной техники и лазерного обрабатывающего оборудования для промышленности.
Однако сегодня атомщики делают лазеры не только для научных исследований: на обоих предприятиях ведутся работы по созданию медицинской лазерной техники и лазерного обрабатывающего оборудования для промышленности.
ВНИИЭФ: первые во всем
Лазерное направление во ВНИИЭФе начало развиваться в 1963 году. 13 марта 1963 года научный руководитель института и один из отцов-основателей атомной отрасли Юлий Харитон провел первое совещание, посвященное лазерам. В 1965 году началась экспериментальная работа с лазерами, которую возглавил член-корреспондент АН СССР, доктор физико-математических наук Самуил Борисович Кормер. Он в ходе эксперимента обнаружил экранировку излучения фронта ударной волны в ионных кристаллах «холодными» электронами и выявил кинетику установления электронной температуры на фронте ударной волны в этих веществах.
С 1965 по 1980 год во ВНИИЭФе в кооперации с ведущими научными, конструкторскими и производственными организациями страны создали и испытали фотодиссоционный взрывной лазер с рекордной энергией лазерного излучения — около 1 МДж. С помощью этого лазера проводились уникальные эксперименты по воздействию лазерного излучения на различные материалы. В частности, впервые экспериментально было показано, что лучевая прочность оптических элементов уменьшается с увеличением диаметра воздействующего лазерного пучка.
27 апреля 1970 года был выпущен приказ об образовании в структуре ВНИИЭФа Сектора‑13 — подразделения, развивающего лазерную тематику. Его основателем и первым руководителем стал С. Кормер. Успешная работа Сектора‑13 дала импульс активным исследованиям по созданию в РФЯЦ-ВНИИЭФе многоцелевых лазерных установок, предназначенных для исследований в области физики высоких плотностей энергии, физики высокотемпературной плотной плазмы, включая исследования в области ЛТС.
Экспериментальные работы по ЛТС начались в 1972 году по инициативе С. Кормера и Геннадия Кириллова и при активной поддержке Ю. Харитона. РФЯЦ-ВНИИЭФ в кооперации с ведущими отраслевыми институтами и РАН создал установки различного уровня мощности лазерного излучения.
В 1975 году была создана установка «Искра‑3» с выходной мощностью до 1 ТВт, на которой были решены принципиальные вопросы технологии проведения экспериментов с термоядерными мишенями. В 1979 году была запущена установка «Искра‑4» мощностью 10 ТВт, на которой начались полномасштабные эксперименты по облучению сферических мишеней, заполненных DT (дейтерий-тритиевым) топливом.
В 1980 году была создана мощная одноканальная установка «Искра‑4» с энергией излучения около 2 кДж и длительностью импульса 0,5 нс. В 1981 году на установке впервые получено 1,5·106 термоядерных DT‑нейтронов. В 1989 году была запущена крупнейшая в Европе лазерная установка «Искра‑5» мощностью 30 ТВт. На этой установке был проведен широкий круг исследований мирового уровня.
В 2000 году на базе Сектора‑13 был создан Институт лазерно-физических исследований (ИЛФИ) — одна из ведущих организаций России в области лазерной техники и исследований физики высоких плотностей энергии. Сегодня здесь работают свыше 750 человек, более 500 из них — ученые и специалисты. ИЛФИ осуществляет научно-техническую деятельность и международное сотрудничество по следующим направлениям: исследования в области лазерного термоядерного синтеза, исследования свойств высокотемпературной плотной плазмы, разработка и создание мощных фотодиссоционных, химических, газодинамических, кислород-йодных и твердотельных лазерных систем, применение лазерных технологий в медицине, экологии и других областях науки и техники.
Лазерное направление во ВНИИЭФе начало развиваться в 1963 году. 13 марта 1963 года научный руководитель института и один из отцов-основателей атомной отрасли Юлий Харитон провел первое совещание, посвященное лазерам. В 1965 году началась экспериментальная работа с лазерами, которую возглавил член-корреспондент АН СССР, доктор физико-математических наук Самуил Борисович Кормер. Он в ходе эксперимента обнаружил экранировку излучения фронта ударной волны в ионных кристаллах «холодными» электронами и выявил кинетику установления электронной температуры на фронте ударной волны в этих веществах.
С 1965 по 1980 год во ВНИИЭФе в кооперации с ведущими научными, конструкторскими и производственными организациями страны создали и испытали фотодиссоционный взрывной лазер с рекордной энергией лазерного излучения — около 1 МДж. С помощью этого лазера проводились уникальные эксперименты по воздействию лазерного излучения на различные материалы. В частности, впервые экспериментально было показано, что лучевая прочность оптических элементов уменьшается с увеличением диаметра воздействующего лазерного пучка.
27 апреля 1970 года был выпущен приказ об образовании в структуре ВНИИЭФа Сектора‑13 — подразделения, развивающего лазерную тематику. Его основателем и первым руководителем стал С. Кормер. Успешная работа Сектора‑13 дала импульс активным исследованиям по созданию в РФЯЦ-ВНИИЭФе многоцелевых лазерных установок, предназначенных для исследований в области физики высоких плотностей энергии, физики высокотемпературной плотной плазмы, включая исследования в области ЛТС.
Экспериментальные работы по ЛТС начались в 1972 году по инициативе С. Кормера и Геннадия Кириллова и при активной поддержке Ю. Харитона. РФЯЦ-ВНИИЭФ в кооперации с ведущими отраслевыми институтами и РАН создал установки различного уровня мощности лазерного излучения.
В 1975 году была создана установка «Искра‑3» с выходной мощностью до 1 ТВт, на которой были решены принципиальные вопросы технологии проведения экспериментов с термоядерными мишенями. В 1979 году была запущена установка «Искра‑4» мощностью 10 ТВт, на которой начались полномасштабные эксперименты по облучению сферических мишеней, заполненных DT (дейтерий-тритиевым) топливом.
В 1980 году была создана мощная одноканальная установка «Искра‑4» с энергией излучения около 2 кДж и длительностью импульса 0,5 нс. В 1981 году на установке впервые получено 1,5·106 термоядерных DT‑нейтронов. В 1989 году была запущена крупнейшая в Европе лазерная установка «Искра‑5» мощностью 30 ТВт. На этой установке был проведен широкий круг исследований мирового уровня.
В 2000 году на базе Сектора‑13 был создан Институт лазерно-физических исследований (ИЛФИ) — одна из ведущих организаций России в области лазерной техники и исследований физики высоких плотностей энергии. Сегодня здесь работают свыше 750 человек, более 500 из них — ученые и специалисты. ИЛФИ осуществляет научно-техническую деятельность и международное сотрудничество по следующим направлениям: исследования в области лазерного термоядерного синтеза, исследования свойств высокотемпературной плотной плазмы, разработка и создание мощных фотодиссоционных, химических, газодинамических, кислород-йодных и твердотельных лазерных систем, применение лазерных технологий в медицине, экологии и других областях науки и техники.
Для медицины и промышленности
Сегодня в ИЛФИ ведутся работы по созданию медицинской лазерной техники и лазерного обрабатывающего оборудования для промышленности.
Лазерное медицинское направление в ИЛФИ состоит из трех проектов:
- «Лазерный литотриптор микросекундной деятельности с диодной накачкой». Разработана технология для эффективного лечения мочекаменной болезни: специальная лазерная система позволяет проводить фрагментацию твердых конкрементов, образующихся в почках и мочеточниках. Преимущество данной технологии — безопасность воздействия лазера для окружающих камень мягких тканей. Разработана модель нового устройства, ведется работа над созданием экспериментального образца.
- «Разработка комплекса оптической биопсии». Планируется разработка технологии для проведения высокоточной оптической диагностики онкологических заболеваний на ранней стадии.
- «Лазерная офтальмологическая система для катарактальной хирургии на основе фемтосекундного лазера». Проект предполагает создание фемтосекундного лазера для фрагментации хрусталика глаза с целью его последующей замены. Также ведется создание лазерной системы для оптической когерентной томографии глаза в целях обеспечения прецизионного мониторинга и контроля воздействий основного лазера в заданных границах. Старт проекта запланирован на 2021 год.
Работы по созданию лазерного обрабатывающего оборудования для промышленности ведутся с 2013 года. Налажена кооперация с научными предприятиями и частными коммерческими компаниями. Разработаны лазерные станки для резки и поверхностного упрочнения. Часть из них поступили в свободную продажу.
Будущее ЛТС: термояд
Изобретение лазера, позволяющего фокусировать в малых объемах колоссальные плотности энергии, открыло новый подход к исследованиям управляемого термоядерного синтеза и дало старт ЛТС.
Сейчас в мире развиваются два способа получения управляемой термоядерной реакции: магнитный (самой перспективной здесь считается технология токамака, разработанная советскими учеными) и лазерный.
Идею лазерного термояда предложили советские ученые Николай Басов, Олег Крохин и Андрей Сахаров. В ее основе лежит способность лазера концентрировать излучение в очень короткое время на очень малой площади поверхности вещества, создавая энергию высокой плотности. Если лазерные лучи большой мощности одновременно и точно воздействуют на мишень с дейтериево-тритиевой смесью, возникают условия для инициирования реакции термоядерного синтеза с большим выделением энергии.
Термоядерная электростанция на основе токамака или стелларатора работает по такому циклу: разогрев плазмы — удержание плазмы — гашение термоядерного синтеза — снятие тепла — закачка дейтерия — разогрев плазмы.
Если электростанция будет создана на основе лазерного термояда, цикл будет другой: накачка лазера — лазерный обстрел мишени — термоядерная реакция — снятие тепла — замена мишени — накачка лазера.
При лазерном воздействии реакция происходит за счет давления: сферическая капсула заполняется смесью дейтерия и трития, на ее поверхность посылается мощный лазерный импульс, под воздействием которого происходит испарение части капсулы. В результате внутри создается абляционное давление, разгоняющее сферический поршень до высоких скоростей — он симметрично сжимает смесь изотопов до условий, необходимых для протекания термоядерного синтеза.
Сегодня в РФЯЦ-ВНИИЭФе сооружается самая мощная в мире лазерная установка нового поколения, на которой планируется производить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу.
Мощная лазерная установка мегаджоульного уровня энергии также предназначена для создания современной экспериментальной базы ЯОК, направленной на обеспечение эффективности, надежности и безопасности ядерного арсенала России в условиях отсутствия натурных испытаний.
Работы над проектом были начаты в 2011 году. К тому моменту в Ливерморской лаборатории (США) эксплуатировалась лазерная установка NIF, введенная в строй в 2009 году. Она представляла собой твердотельный лазер с активными элементами из неодимового стекла и имела 192 лазерных канала с полной энергией в камере взаимодействия 1,8 МДж на длине волны 0,35 микрон. Во Франции, недалеко от Бордо создавалась аналогичная установка LMJ («Лазер мегаджоульный»), примерно с такими же проектными параметрами по рабочей длине волны и энергетике в камере взаимодействия, но с уменьшенным до 176 числом каналов. Первые восемь каналов установки LMJ (первый модуль) были введены в эксплуатацию в 2014 году.
При разработке своего проекта специалисты ИЛФИ учли последние достижения в области лазерных технологий, высоковольтной электроники и оптики, а также ошибки, выявленные в процессе эксплуатации установки NIF.
В частности, была изменена геометрия ввода лазерных пучков в главную 10-метровую сферическую камеру взаимодействия, где располагается термоядерная мишень, что позволило в несколько раз, по сравнению с NIF и LMJ, улучшить степень симметрии облучения мишени.
Для проведения прикладных и фундаментальных исследований, не требующих всей энергии лазера, но предъявляющих высокие требования к пространственному разрешению диагностики, установка оснащена малой цилиндрической камерой, в которой мишень будет облучаться 16 лазерными пучками. Кроме того, установка будет иметь 48 независимых задающих генераторов, использующих диодную накачку. Работа задающих генераторов, а также всех механизмов установки будет осуществляться оригинальной системой синхронизации российской разработки.
До конца 2022 года должны быть введены в эксплуатацию еще три модуля, завершено создание инфраструктуры управления установкой, создан задел для монтажа еще четырех модулей; также должен быть введен в эксплуатацию исследовательский комплекс на базе малой камеры и начаты первые экспериментальные исследования.
В работах над проектом, в частности, в разработке опытных образцов составных частей и комплектующих лазерной установки, принимали участие более 25 организаций Росатома, РАН, вузов и промышленных предприятий. Число поставщиков и изготовителей составных частей и комплектующих достигает 100.
Наиболее яркими событиями в ходе осуществления проекта стали создание уникальной десятиметровой вакуумной сферической камеры взаимодействия и ее размещение в камерном зале лазерной установки в апреле 2019 года. Этим событиям предшествовала разработка уникальных технологий сварки алюминиевых сегментов камеры, цифровых технологий контроля точности изготовления, роботизированных методов обработки поверхности, почти трехлетняя круглосуточная работа по изготовлению камеры и завершающие вакуумные испытания. Вес камеры — более 120 тонн. Ее перенос из ангара, где она изготавливалась, в камерный зал, на место будущей эксплуатации, осуществлялся специальным краном грузоподъемностью 750 тонн, который был собран между ангаром и камерным залом. Вся операция заняла около часа.
Данный этап был крайне важен, так как с постановкой камеры на место эксплуатации строительство здания перешло в заключительную стадию, что должно обеспечить ввод здания в эксплуатацию в установленные сроки.
До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень. Учитывая накопленный опыт, российские атомщики имеют все шансы сделать это первыми в мире.
Изобретение лазера, позволяющего фокусировать в малых объемах колоссальные плотности энергии, открыло новый подход к исследованиям управляемого термоядерного синтеза и дало старт ЛТС.
Сейчас в мире развиваются два способа получения управляемой термоядерной реакции: магнитный (самой перспективной здесь считается технология токамака, разработанная советскими учеными) и лазерный.
Идею лазерного термояда предложили советские ученые Николай Басов, Олег Крохин и Андрей Сахаров. В ее основе лежит способность лазера концентрировать излучение в очень короткое время на очень малой площади поверхности вещества, создавая энергию высокой плотности. Если лазерные лучи большой мощности одновременно и точно воздействуют на мишень с дейтериево-тритиевой смесью, возникают условия для инициирования реакции термоядерного синтеза с большим выделением энергии.
Термоядерная электростанция на основе токамака или стелларатора работает по такому циклу: разогрев плазмы — удержание плазмы — гашение термоядерного синтеза — снятие тепла — закачка дейтерия — разогрев плазмы.
Если электростанция будет создана на основе лазерного термояда, цикл будет другой: накачка лазера — лазерный обстрел мишени — термоядерная реакция — снятие тепла — замена мишени — накачка лазера.
При лазерном воздействии реакция происходит за счет давления: сферическая капсула заполняется смесью дейтерия и трития, на ее поверхность посылается мощный лазерный импульс, под воздействием которого происходит испарение части капсулы. В результате внутри создается абляционное давление, разгоняющее сферический поршень до высоких скоростей — он симметрично сжимает смесь изотопов до условий, необходимых для протекания термоядерного синтеза.
Сегодня в РФЯЦ-ВНИИЭФе сооружается самая мощная в мире лазерная установка нового поколения, на которой планируется производить эксперименты по управляемому инерциальному термоядерному синтезу.
Мощная лазерная установка мегаджоульного уровня энергии также предназначена для создания современной экспериментальной базы ЯОК, направленной на обеспечение эффективности, надежности и безопасности ядерного арсенала России в условиях отсутствия натурных испытаний.
Работы над проектом были начаты в 2011 году. К тому моменту в Ливерморской лаборатории (США) эксплуатировалась лазерная установка NIF, введенная в строй в 2009 году. Она представляла собой твердотельный лазер с активными элементами из неодимового стекла и имела 192 лазерных канала с полной энергией в камере взаимодействия 1,8 МДж на длине волны 0,35 микрон. Во Франции, недалеко от Бордо создавалась аналогичная установка LMJ («Лазер мегаджоульный»), примерно с такими же проектными параметрами по рабочей длине волны и энергетике в камере взаимодействия, но с уменьшенным до 176 числом каналов. Первые восемь каналов установки LMJ (первый модуль) были введены в эксплуатацию в 2014 году.
При разработке своего проекта специалисты ИЛФИ учли последние достижения в области лазерных технологий, высоковольтной электроники и оптики, а также ошибки, выявленные в процессе эксплуатации установки NIF.
В частности, была изменена геометрия ввода лазерных пучков в главную 10-метровую сферическую камеру взаимодействия, где располагается термоядерная мишень, что позволило в несколько раз, по сравнению с NIF и LMJ, улучшить степень симметрии облучения мишени.
Для проведения прикладных и фундаментальных исследований, не требующих всей энергии лазера, но предъявляющих высокие требования к пространственному разрешению диагностики, установка оснащена малой цилиндрической камерой, в которой мишень будет облучаться 16 лазерными пучками. Кроме того, установка будет иметь 48 независимых задающих генераторов, использующих диодную накачку. Работа задающих генераторов, а также всех механизмов установки будет осуществляться оригинальной системой синхронизации российской разработки.
До конца 2022 года должны быть введены в эксплуатацию еще три модуля, завершено создание инфраструктуры управления установкой, создан задел для монтажа еще четырех модулей; также должен быть введен в эксплуатацию исследовательский комплекс на базе малой камеры и начаты первые экспериментальные исследования.
В работах над проектом, в частности, в разработке опытных образцов составных частей и комплектующих лазерной установки, принимали участие более 25 организаций Росатома, РАН, вузов и промышленных предприятий. Число поставщиков и изготовителей составных частей и комплектующих достигает 100.
Наиболее яркими событиями в ходе осуществления проекта стали создание уникальной десятиметровой вакуумной сферической камеры взаимодействия и ее размещение в камерном зале лазерной установки в апреле 2019 года. Этим событиям предшествовала разработка уникальных технологий сварки алюминиевых сегментов камеры, цифровых технологий контроля точности изготовления, роботизированных методов обработки поверхности, почти трехлетняя круглосуточная работа по изготовлению камеры и завершающие вакуумные испытания. Вес камеры — более 120 тонн. Ее перенос из ангара, где она изготавливалась, в камерный зал, на место будущей эксплуатации, осуществлялся специальным краном грузоподъемностью 750 тонн, который был собран между ангаром и камерным залом. Вся операция заняла около часа.
Данный этап был крайне важен, так как с постановкой камеры на место эксплуатации строительство здания перешло в заключительную стадию, что должно обеспечить ввод здания в эксплуатацию в установленные сроки.
До сих пор никто в мире не смог в лаборатории зажечь термоядерную мишень. Учитывая накопленный опыт, российские атомщики имеют все шансы сделать это первыми в мире.
ТРИНИТИ: лазеры на любой вкус
Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) известен как в России, так и за рубежом достижениями в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, лазерной физики и техники. Исследования по лазерной физике, разработка перспективных типов лазеров и совершенствование характеристик лазерных систем — традиционные для ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» направления научной деятельности. Созданные в его лабораториях лазерные установки с различными активными средами (лазеры СО2-, СО-, твердотельные, эксимерные) различаются как разнообразием режимов работы (непрерывные, импульсные, импульсно-периодические), так и параметрами. Они могут применяться в самых различных областях: управляемом термоядерном синтезе, диагностике плазмы, обработке различных материалов, лазерной химии и лазерном разделении изотопов, охране окружающей среды и др.
Сегодня большое внимание уделяется разработанным в институте передвижным лазерным технологическим комплексам. Эти установки позволяют дистанционно воздействовать лучом лазера мощностью до 50 кВт на различные объекты, в частности, резать металлические и железобетонные конструкции при демонтаже и аварийно-восстановительных работах на газовых и нефтяных скважинах и АЭС, а также при распиле на металлолом судов и подводных лодок (в том числе атомных). Эффективно применение мобильных установок для сжигания пленки разлившейся нефти, дезактивации поверхностей методом шелушения и других целей.
Созданные учеными института МГД (магнитогидродинамические) установки можно использовать для зондирования земной коры, поиска полезных ископаемых и прогнозирования землетрясений.
Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ) известен как в России, так и за рубежом достижениями в области управляемого термоядерного синтеза, физики плазмы, лазерной физики и техники. Исследования по лазерной физике, разработка перспективных типов лазеров и совершенствование характеристик лазерных систем — традиционные для ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» направления научной деятельности. Созданные в его лабораториях лазерные установки с различными активными средами (лазеры СО2-, СО-, твердотельные, эксимерные) различаются как разнообразием режимов работы (непрерывные, импульсные, импульсно-периодические), так и параметрами. Они могут применяться в самых различных областях: управляемом термоядерном синтезе, диагностике плазмы, обработке различных материалов, лазерной химии и лазерном разделении изотопов, охране окружающей среды и др.
Сегодня большое внимание уделяется разработанным в институте передвижным лазерным технологическим комплексам. Эти установки позволяют дистанционно воздействовать лучом лазера мощностью до 50 кВт на различные объекты, в частности, резать металлические и железобетонные конструкции при демонтаже и аварийно-восстановительных работах на газовых и нефтяных скважинах и АЭС, а также при распиле на металлолом судов и подводных лодок (в том числе атомных). Эффективно применение мобильных установок для сжигания пленки разлившейся нефти, дезактивации поверхностей методом шелушения и других целей.
Созданные учеными института МГД (магнитогидродинамические) установки можно использовать для зондирования земной коры, поиска полезных ископаемых и прогнозирования землетрясений.
Три направления ТРИНИТИ
1. Дистанционная лазерная резка толстостенных бетонных и металлических конструкций в различных условиях.
К дистанционной лазерной резке на аварийных, открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах проявили интерес и профинансировали ее разработку газовые компании. По заказу ООО «Газпром газобезопасность» был создан мобильный лазерный технологический комплекс МЛТК‑20, успешно работавший в 2011—2015 годах в Приполярье на пяти скважинах. Использование МЛТК‑20 при ликвидации аварий с открытым фонтанированием было отмечено премией в области науки и техники ПАО «Газпром».
Также по заказу ГК «Росатом» была разработана технология лазерной резки выводимых из эксплуатации подводных лодок, продемонстрировавшая высокую эффективность на натурных образцах.
Создаваемый сегодня по заказу ГК «Росатом» первый собственный многофункциональный лазерный модуль (МЛМ) выходной лазерной мощностью 20 кВт позволит эффективно решать большую часть технологических задач по фрагментации толстостенных (до 200 мм) пространственных конструкций в газонефтяной отрасли, строительной, атомной и других отраслях.
2. Лазерное разделение и обогащение стабильных изотопов.
Среди этих изотопов, например, 10B, который активно используется в атомной отрасли, и ¹³С.
¹³С — один из двух стабильных изотопов углерода. Он применяется в одном из методов ЯМР‑спектроскопии — так называемом методе магнитного резонанса атомов ¹³С. Также этот изотоп нашел широкое применение в медицине, например, в диагностике гастроэнтерологических заболеваний при помощи дыхательных тестов. Также ¹³С применяется в геологии и геофизике, судебной экспертизе и криминалистике, экологии, научных исследованиях.
В конце 1990-х годов ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» совместно с ЗАО «Газ-Ойл» разработали концепцию и создали производство изотопа ¹³С. Конечный продукт обогащался до 30% по ¹³С методом лазерного разделения изотопов (комплекс «Углерод»). Сейчас в институте реализуется проект организации производства углерода ¹³С со степенью обогащения 99,5% методом лазерного разделения изотопов. Институт планирует создание опытного производства мощностью 30 кг в год, это 5% от мирового рынка. Запуск производства намечен на вторую половину 2021 года, заказчиками выступают российские компании, входящие в Росатом.
3. Лазерное упрочнение различных поверхностей
Применяется в атомной, авиационной, судостроительной и нефтяной отраслях, в частности, для металлических частей оборудования, подверженных высокоинтенсивным нагрузкам, таких как буровые долота, лопатки турбин двигателей и т. д.
В ТРИНИТИ на базе лазерной установки создан стенд для обработки элементов лопаток турбин двигателей. Плазма, образующаяся под воздействием лазера, создает ударную волну, упрочняющую материал, не изменяя геометрию поверхностного слоя. Это позволяет увеличить порог усталостной прочности и сопротивляемость локальным нагрузкам и таким образом повысить ресурс работы оборудования на 10−15%. В перспективе метод лазерного термоупрочнения позволит повысить срок службы изделий в три раза и в 10 раз — их устойчивость.
1. Дистанционная лазерная резка толстостенных бетонных и металлических конструкций в различных условиях.
К дистанционной лазерной резке на аварийных, открыто фонтанирующих газонефтяных скважинах проявили интерес и профинансировали ее разработку газовые компании. По заказу ООО «Газпром газобезопасность» был создан мобильный лазерный технологический комплекс МЛТК‑20, успешно работавший в 2011—2015 годах в Приполярье на пяти скважинах. Использование МЛТК‑20 при ликвидации аварий с открытым фонтанированием было отмечено премией в области науки и техники ПАО «Газпром».
Также по заказу ГК «Росатом» была разработана технология лазерной резки выводимых из эксплуатации подводных лодок, продемонстрировавшая высокую эффективность на натурных образцах.
Создаваемый сегодня по заказу ГК «Росатом» первый собственный многофункциональный лазерный модуль (МЛМ) выходной лазерной мощностью 20 кВт позволит эффективно решать большую часть технологических задач по фрагментации толстостенных (до 200 мм) пространственных конструкций в газонефтяной отрасли, строительной, атомной и других отраслях.
2. Лазерное разделение и обогащение стабильных изотопов.
Среди этих изотопов, например, 10B, который активно используется в атомной отрасли, и ¹³С.
¹³С — один из двух стабильных изотопов углерода. Он применяется в одном из методов ЯМР‑спектроскопии — так называемом методе магнитного резонанса атомов ¹³С. Также этот изотоп нашел широкое применение в медицине, например, в диагностике гастроэнтерологических заболеваний при помощи дыхательных тестов. Также ¹³С применяется в геологии и геофизике, судебной экспертизе и криминалистике, экологии, научных исследованиях.
В конце 1990-х годов ГНЦ РФ «ТРИНИТИ» совместно с ЗАО «Газ-Ойл» разработали концепцию и создали производство изотопа ¹³С. Конечный продукт обогащался до 30% по ¹³С методом лазерного разделения изотопов (комплекс «Углерод»). Сейчас в институте реализуется проект организации производства углерода ¹³С со степенью обогащения 99,5% методом лазерного разделения изотопов. Институт планирует создание опытного производства мощностью 30 кг в год, это 5% от мирового рынка. Запуск производства намечен на вторую половину 2021 года, заказчиками выступают российские компании, входящие в Росатом.
3. Лазерное упрочнение различных поверхностей
Применяется в атомной, авиационной, судостроительной и нефтяной отраслях, в частности, для металлических частей оборудования, подверженных высокоинтенсивным нагрузкам, таких как буровые долота, лопатки турбин двигателей и т. д.
В ТРИНИТИ на базе лазерной установки создан стенд для обработки элементов лопаток турбин двигателей. Плазма, образующаяся под воздействием лазера, создает ударную волну, упрочняющую материал, не изменяя геометрию поверхностного слоя. Это позволяет увеличить порог усталостной прочности и сопротивляемость локальным нагрузкам и таким образом повысить ресурс работы оборудования на 10−15%. В перспективе метод лазерного термоупрочнения позволит повысить срок службы изделий в три раза и в 10 раз — их устойчивость.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2020