Заглянуть под ребро Адама
ТЕХНОЛОГИИ / #4-5_2022
Беседовала Надежда КУДРИНА / Фото: Росатом
Один из проектов программы РТТН направлен на разработку новых материалов и технологий. О том, какие фундаментальные и практические задачи ставятся перед проектом и какие результаты уже достигнуты, рассказывает первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации» Алексей Дуб.
Биография эксперта
Алексей Владимирович ДУБ родился в 1960 году.
Окончил с отличием Московский институт стали и сплавов по специальности «Физико-химические исследования металлургических процессов». Проходил стажировку в Токийском университете. В 1996 году обучался в Академии народного хозяйства при Правительстве РФ по программе «Технологический бизнес». Профессор. Доктор технических наук.
Научные интересы: влияние металлургических и технологических факторов на надежность изделий, термодинамика и кинетика высокотемпературных процессов.
В атомной отрасли работает с 2005 года. В разные годы возглавлял ООО «Русатом — Аддитивные технологии», АО «Наука и инновации» и ОАО «НПО „ЦНИИТМАШ“». С 2015 года — первый заместитель генерального директора управляющей компании научного дивизиона. Научный руководитель четвертого федерального проекта комплексной программы по развитию атомной науки и технологий в России. До прихода в Росатом работал в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС». Возглавляет там кафедру металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов.
Окончил с отличием Московский институт стали и сплавов по специальности «Физико-химические исследования металлургических процессов». Проходил стажировку в Токийском университете. В 1996 году обучался в Академии народного хозяйства при Правительстве РФ по программе «Технологический бизнес». Профессор. Доктор технических наук.
Научные интересы: влияние металлургических и технологических факторов на надежность изделий, термодинамика и кинетика высокотемпературных процессов.
В атомной отрасли работает с 2005 года. В разные годы возглавлял ООО «Русатом — Аддитивные технологии», АО «Наука и инновации» и ОАО «НПО „ЦНИИТМАШ“». С 2015 года — первый заместитель генерального директора управляющей компании научного дивизиона. Научный руководитель четвертого федерального проекта комплексной программы по развитию атомной науки и технологий в России. До прихода в Росатом работал в Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС». Возглавляет там кафедру металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов.
Алексей Владимирович, объясните, пожалуйста, почему федеральный проект «Разработка новых материалов и технологий» был выбран в числе приоритетных в рамках РТТН.
Традиционно материалы служили вспомогательным звеном в конструкторских решениях, и обычно конструктор сам решал, какой материал использовать. Но в какой-то момент стало понятно, что это проигрышная логика: конструктор выбирает референтный материал, то есть ориентируется на решения, сложившиеся много лет назад. Следовательно, изготовленный им объект получается не вполне современным.
Правильно — разрабатывать материалы для перспективных проектов даже не завтрашнего, а послезавтрашнего дня: тогда у конструкторов будет достаточная степень свободы в выборе материала, а у нас, материаловедов, — время, необходимое для того, чтобы изучить и аттестовать материал.
Именно поэтому наш проект выделился в отдельный, со своей внутренней логикой.
Какие основные направления включает проект?
Это три программы. Первая — собственно разработка материалов, прежде всего для нужд атомной энергетики. Одна из задач — как минимум в полтора-два раза ускорить этот процесс. В программу входит, в числе прочего, работа над новыми технологиями, включая аддитивные.
Вторая программа — разработка технологий, оборудования и материалов в области синтеза сверхтяжелых элементов и изучение свойств вещества в экстремальных состояниях (например, при сверхвысоких давлениях и температурах). Синтез сверхтяжелых элементов — прежде всего, 119‑го и 120‑го элементов таблицы Менделеева, — позволит глубже понять строение ядерной материи, процессы образования тяжелых элементов во Вселенной. Изучение свойств веществ в экстремальных состояниях поможет создать новые материалы, востребованные не только в энергетике, но и в судо-, авиа- и космостроении, электрофизике высоких напряжений и мощностей; они будут полезны также для упрочнения и сварки материалов, синтеза твердых веществ.
Третья программа — разработка и демонстрация технологических решений для создания первого в России исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР). Эта установка станет опытной площадкой для отработки наиболее эффективного способа дожигания долгоживущих радиоактивных отходов — важнейший фактор повышения экологической безопасности ядерной энергетики. Ведутся НИОКР по созданию новых материалов и технологий, которые впоследствии будут использованы в установке, разрабатываются материалы для ее прототипа.
Традиционно материалы служили вспомогательным звеном в конструкторских решениях, и обычно конструктор сам решал, какой материал использовать. Но в какой-то момент стало понятно, что это проигрышная логика: конструктор выбирает референтный материал, то есть ориентируется на решения, сложившиеся много лет назад. Следовательно, изготовленный им объект получается не вполне современным.
Правильно — разрабатывать материалы для перспективных проектов даже не завтрашнего, а послезавтрашнего дня: тогда у конструкторов будет достаточная степень свободы в выборе материала, а у нас, материаловедов, — время, необходимое для того, чтобы изучить и аттестовать материал.
Именно поэтому наш проект выделился в отдельный, со своей внутренней логикой.
Какие основные направления включает проект?
Это три программы. Первая — собственно разработка материалов, прежде всего для нужд атомной энергетики. Одна из задач — как минимум в полтора-два раза ускорить этот процесс. В программу входит, в числе прочего, работа над новыми технологиями, включая аддитивные.
Вторая программа — разработка технологий, оборудования и материалов в области синтеза сверхтяжелых элементов и изучение свойств вещества в экстремальных состояниях (например, при сверхвысоких давлениях и температурах). Синтез сверхтяжелых элементов — прежде всего, 119‑го и 120‑го элементов таблицы Менделеева, — позволит глубже понять строение ядерной материи, процессы образования тяжелых элементов во Вселенной. Изучение свойств веществ в экстремальных состояниях поможет создать новые материалы, востребованные не только в энергетике, но и в судо-, авиа- и космостроении, электрофизике высоких напряжений и мощностей; они будут полезны также для упрочнения и сварки материалов, синтеза твердых веществ.
Третья программа — разработка и демонстрация технологических решений для создания первого в России исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР). Эта установка станет опытной площадкой для отработки наиболее эффективного способа дожигания долгоживущих радиоактивных отходов — важнейший фактор повышения экологической безопасности ядерной энергетики. Ведутся НИОКР по созданию новых материалов и технологий, которые впоследствии будут использованы в установке, разрабатываются материалы для ее прототипа.
Какие результаты уже есть?
Получен целый ряд важных прикладных результатов. Например, для бесперебойной работы быстрых реакторов, которые станут основой будущего замкнутого ядерного топливного цикла, нужны улучшенные конструкционные материалы. Какие именно?
Ученые предложили ряд новых кандидатных материалов, но необходимо их дальнейшее исследование. В рамках этой задачи специалисты АО «ВНИИНМ» уже исследовали комплекс физико-механических, коррозионных и других функциональных характеристик опытных образцов перспективных конструкционных материалов (ферритные стали на базе системы Fe-Cr-Al, ванадиевые сплавы, сплавы на базе системы Ni-Cr-Mo), а также механические и теплофизические характеристики экспериментальных образцов изделий из безусадочных керамических материалов. К 2024 году планируем оптимизировать составы радиационных, жаропрочных и коррозионностойких материалов для новых реакторов. Все новые материалы пройдут аттестацию. То есть после 2024 года такие материалы станут активно использоваться конструкторами и могут быть заложены в проекты БН‑1200, ВВЭР‑1200.
Есть чем похвастаться и в направлении ИЖСР. Главная проблема жидкосолевого реактора — взаимодействие расплавленных солей (очень агрессивных) с конструкционными материалами. Мы существенно продвинулись в решении этой проблемы: уже есть ряд материалов, которые демонстрируют весьма удовлетворительное (ниже 30 микрон) разрушение от коррозии в течение года. Также в 2021 году были выбраны кандидатные сплавы для ИЖСР с топливной солью на основе FLiNaK и углеродные керамические композитные материалы для модуля переработки отработавшего ядерного топлива, исследована радиационная стойкость сплава конструкционного материала для ИЖСР на основе ХН80МТЮ. Разработаны концепция топливного цикла ИЖСР, технологическая цепочка операций синтеза фторидов трансурановых элементов, технология синтеза фторидов актинидов и контроля окислительно-восстановительного потенциала топливной соли, научная программа исследований на ИЖСР. Готов технический проект петлевой реакторной установки с FLiBe и FLiNaK.
Есть результаты и по «аддитивному» направлению. Сейчас 3D-принтер производства Росатома уже полностью состоит из отечественных компонентов. Однако мало просто изготовить такую машину — ее нужно «оживить». «Сердце» (или «нервная система») принтера — программно-аппаратная платформа, технический уровень которой определяет конкурентные преимущества аппарата. В рамках программы мы разрабатываем платформу, которая будет универсальной и сможет использоваться во всех типах аддитивного оборудования. Она включает системы контроля, алгоритмы корректировки технологических режимов, позволяющие предотвратить возможные дефекты, и многое другое. Определенные шаги в этом направлении уже сделаны. Специалисты ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» разработали программу «Виртуальный принтер 1.0», открывающую новые возможности многомасштабного моделирования изделий. Эта программа может стать связующим звеном между разработчиками, технологами и конструкторами на предприятиях. Кроме того, в прошлом году НПО «ЛУЧ» завершило разработку трехосевого лазерного сканатора для российских 3D-принтеров по металлу, не имеющего мировых аналогов. Этот ключевой компонент повысит качество изделий, изготавливаемых методами аддитивных технологий.
Получен целый ряд важных прикладных результатов. Например, для бесперебойной работы быстрых реакторов, которые станут основой будущего замкнутого ядерного топливного цикла, нужны улучшенные конструкционные материалы. Какие именно?
Ученые предложили ряд новых кандидатных материалов, но необходимо их дальнейшее исследование. В рамках этой задачи специалисты АО «ВНИИНМ» уже исследовали комплекс физико-механических, коррозионных и других функциональных характеристик опытных образцов перспективных конструкционных материалов (ферритные стали на базе системы Fe-Cr-Al, ванадиевые сплавы, сплавы на базе системы Ni-Cr-Mo), а также механические и теплофизические характеристики экспериментальных образцов изделий из безусадочных керамических материалов. К 2024 году планируем оптимизировать составы радиационных, жаропрочных и коррозионностойких материалов для новых реакторов. Все новые материалы пройдут аттестацию. То есть после 2024 года такие материалы станут активно использоваться конструкторами и могут быть заложены в проекты БН‑1200, ВВЭР‑1200.
Есть чем похвастаться и в направлении ИЖСР. Главная проблема жидкосолевого реактора — взаимодействие расплавленных солей (очень агрессивных) с конструкционными материалами. Мы существенно продвинулись в решении этой проблемы: уже есть ряд материалов, которые демонстрируют весьма удовлетворительное (ниже 30 микрон) разрушение от коррозии в течение года. Также в 2021 году были выбраны кандидатные сплавы для ИЖСР с топливной солью на основе FLiNaK и углеродные керамические композитные материалы для модуля переработки отработавшего ядерного топлива, исследована радиационная стойкость сплава конструкционного материала для ИЖСР на основе ХН80МТЮ. Разработаны концепция топливного цикла ИЖСР, технологическая цепочка операций синтеза фторидов трансурановых элементов, технология синтеза фторидов актинидов и контроля окислительно-восстановительного потенциала топливной соли, научная программа исследований на ИЖСР. Готов технический проект петлевой реакторной установки с FLiBe и FLiNaK.
Есть результаты и по «аддитивному» направлению. Сейчас 3D-принтер производства Росатома уже полностью состоит из отечественных компонентов. Однако мало просто изготовить такую машину — ее нужно «оживить». «Сердце» (или «нервная система») принтера — программно-аппаратная платформа, технический уровень которой определяет конкурентные преимущества аппарата. В рамках программы мы разрабатываем платформу, которая будет универсальной и сможет использоваться во всех типах аддитивного оборудования. Она включает системы контроля, алгоритмы корректировки технологических режимов, позволяющие предотвратить возможные дефекты, и многое другое. Определенные шаги в этом направлении уже сделаны. Специалисты ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» разработали программу «Виртуальный принтер 1.0», открывающую новые возможности многомасштабного моделирования изделий. Эта программа может стать связующим звеном между разработчиками, технологами и конструкторами на предприятиях. Кроме того, в прошлом году НПО «ЛУЧ» завершило разработку трехосевого лазерного сканатора для российских 3D-принтеров по металлу, не имеющего мировых аналогов. Этот ключевой компонент повысит качество изделий, изготавливаемых методами аддитивных технологий.
Какие цели ставятся до 2024 года?
По первой программе (разработка новых материалов) целей много; я остановлюсь на ключевых. Важнейшая задача — развитие направления цифрового материаловедения. Это технология, позволяющая не исследовать единичный набор кандидатных материалов, а моделировать сотни возможных составов. Из них выбираются несколько десятков наиболее перспективных и выполняется так называемое быстрое имитационное моделирование. Например, в 2021 году специалисты ФГУП «ВНИИА» разработали цифровые инструменты компьютерного материаловедения для прогноза радиационного старения конструкционных материалов по ключевым механизмам деградации, позволяющие ускорить разработку новых материалов и оптимизировать существующие.
Еще одна важная задача — разработка системы управления старением конструкций, систем и элементов на всех этапах жизненного цикла АЭС. Эта система будет гармонизирована с требованиями МАГАТЭ. Работа ведется специалистами АО «Атомэнергопроект», АО «ВНИИАЭС», АО «НПО „ЦНИИТМАШ“», АО «НИИП» и АО «НТЦД». Уже есть предварительные результаты: в частности, проведены испытания материалов представительных образцов тепломеханического оборудования, бетона, электротехнического оборудования, кабельной продукции, контрольно-измерительных приборов и автоматики АЭС, исследованы механизмы их старения.
Также в рамках этой программы реализуется проект создания высокоэнергетических магнитов. По плану, такими магнитами будет замещено не менее 20% дефицитных и дорогих редкоземельных магнитов, например, магниты на основе неодима и празеодима заменят на доступные и дешевые на основе лантана и церия. Это позволит снизить себестоимость магнитов более чем на 20% при сохранении необходимых свойств.
По направлению ИЖСР мы сейчас переходим к стадии проектирования и конструирования реактора. Этим занимается НИКИЭТ. Чтобы получить разрешение на строительство ИЖСР (предположительно, на площадке Горно-химического комбината), нужно провести обоснование всех материалов и процессов, которые будут проходить в реакторе. Поэтому к 2024 году необходимо, во‑первых, создать новые коррозионностойкие сплавы; во‑вторых, разработать технологии производства сплава для топливного и промежуточного контуров ИЖСР; в‑третьих, технологии изготовления модуля переработки топливной соли ИЖСР; и наконец, технологическую цепочку последовательных операций переработки топливной соли ИЖСР.
В этом году мы начинаем исследования с радиоактивными компонентами топливной соли. Таким образом, мы получим — впервые в России, а может быть, и в мире — данные о взаимодействии конструкционных материалов с этими топливными солями.
Исследования, связанные с экстремальными состояниями вещества, ведутся, прежде всего, в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» в кооперации с нашими федеральными ядерными центрами и Академией наук. Первое направление — это исследование поведения привычных для атомной энергетики материалов (таких как аустенитные и феррито-мартенситные стали, керамические материалы) при сверхвысоких давлениях и температурах. Второе направление связано с водородом. Мы изучаем поведение материалов при взрывообразном возгорании водорода, а также разрабатываем материалы, поглощающие водород и не дающие образоваться опасной водородо-воздушной смеси.
По направлению синтеза сверхтяжелых элементов работают три основных участника: АО «ГНЦ НИИАР» нарабатывает нужное количество кюрия для изготовления мишеней; ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» разрабатывает оборудование для последующей интеграции в Дубне и нарабатывает кальций; и, конечно, ОИЯИ предоставляет площадку для ускорителя ДЦ‑280.
К 2024 году будет создана вся инфраструктура для поддержки и функционирования «Фабрики сверхтяжелых элементов». Это комплекс, включающий оборудование для синтеза 119‑го и 120‑го элементов; оборудование и технологии для наработки 251Cf; технологии очистки и выделения 249Bk; достаточное количество мишеней с 249Bk для проведения с 2025 года экспериментов по синтезу 119‑го и 120‑го элементов. В планах этого года — изготовить первую очередь оборудования ускорительного комплекса и комплекса по разделению изотопов; произвести опытные образцы сегментов ускорительной мишени с 242Pu; разработать методы глубокой очистки Bk от изотопов Cm, Cf, химических примесей.
В целом 2022 год очень важен для всех трех программ: будут получены ключевые результаты по всем направлениям, которые в дальнейшем будут отрабатываться в определенной мере технологически.
По первой программе (разработка новых материалов) целей много; я остановлюсь на ключевых. Важнейшая задача — развитие направления цифрового материаловедения. Это технология, позволяющая не исследовать единичный набор кандидатных материалов, а моделировать сотни возможных составов. Из них выбираются несколько десятков наиболее перспективных и выполняется так называемое быстрое имитационное моделирование. Например, в 2021 году специалисты ФГУП «ВНИИА» разработали цифровые инструменты компьютерного материаловедения для прогноза радиационного старения конструкционных материалов по ключевым механизмам деградации, позволяющие ускорить разработку новых материалов и оптимизировать существующие.
Еще одна важная задача — разработка системы управления старением конструкций, систем и элементов на всех этапах жизненного цикла АЭС. Эта система будет гармонизирована с требованиями МАГАТЭ. Работа ведется специалистами АО «Атомэнергопроект», АО «ВНИИАЭС», АО «НПО „ЦНИИТМАШ“», АО «НИИП» и АО «НТЦД». Уже есть предварительные результаты: в частности, проведены испытания материалов представительных образцов тепломеханического оборудования, бетона, электротехнического оборудования, кабельной продукции, контрольно-измерительных приборов и автоматики АЭС, исследованы механизмы их старения.
Также в рамках этой программы реализуется проект создания высокоэнергетических магнитов. По плану, такими магнитами будет замещено не менее 20% дефицитных и дорогих редкоземельных магнитов, например, магниты на основе неодима и празеодима заменят на доступные и дешевые на основе лантана и церия. Это позволит снизить себестоимость магнитов более чем на 20% при сохранении необходимых свойств.
По направлению ИЖСР мы сейчас переходим к стадии проектирования и конструирования реактора. Этим занимается НИКИЭТ. Чтобы получить разрешение на строительство ИЖСР (предположительно, на площадке Горно-химического комбината), нужно провести обоснование всех материалов и процессов, которые будут проходить в реакторе. Поэтому к 2024 году необходимо, во‑первых, создать новые коррозионностойкие сплавы; во‑вторых, разработать технологии производства сплава для топливного и промежуточного контуров ИЖСР; в‑третьих, технологии изготовления модуля переработки топливной соли ИЖСР; и наконец, технологическую цепочку последовательных операций переработки топливной соли ИЖСР.
В этом году мы начинаем исследования с радиоактивными компонентами топливной соли. Таким образом, мы получим — впервые в России, а может быть, и в мире — данные о взаимодействии конструкционных материалов с этими топливными солями.
Исследования, связанные с экстремальными состояниями вещества, ведутся, прежде всего, в АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» в кооперации с нашими федеральными ядерными центрами и Академией наук. Первое направление — это исследование поведения привычных для атомной энергетики материалов (таких как аустенитные и феррито-мартенситные стали, керамические материалы) при сверхвысоких давлениях и температурах. Второе направление связано с водородом. Мы изучаем поведение материалов при взрывообразном возгорании водорода, а также разрабатываем материалы, поглощающие водород и не дающие образоваться опасной водородо-воздушной смеси.
По направлению синтеза сверхтяжелых элементов работают три основных участника: АО «ГНЦ НИИАР» нарабатывает нужное количество кюрия для изготовления мишеней; ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» разрабатывает оборудование для последующей интеграции в Дубне и нарабатывает кальций; и, конечно, ОИЯИ предоставляет площадку для ускорителя ДЦ‑280.
К 2024 году будет создана вся инфраструктура для поддержки и функционирования «Фабрики сверхтяжелых элементов». Это комплекс, включающий оборудование для синтеза 119‑го и 120‑го элементов; оборудование и технологии для наработки 251Cf; технологии очистки и выделения 249Bk; достаточное количество мишеней с 249Bk для проведения с 2025 года экспериментов по синтезу 119‑го и 120‑го элементов. В планах этого года — изготовить первую очередь оборудования ускорительного комплекса и комплекса по разделению изотопов; произвести опытные образцы сегментов ускорительной мишени с 242Pu; разработать методы глубокой очистки Bk от изотопов Cm, Cf, химических примесей.
В целом 2022 год очень важен для всех трех программ: будут получены ключевые результаты по всем направлениям, которые в дальнейшем будут отрабатываться в определенной мере технологически.
Установка Shenc для проведения испытаний по разрушающему контролю металла
Давайте коротко коснемся всех трех программ. Объясните, пожалуйста, что будет представлять собой жидкосолевой реактор. Для чего он нужен?
Сегодня перед всеми странами — членами «ядерного клуба» остро стоит проблема обращения с РАО. Захоронение — наиболее популярная стратегия, однако это не дешевое и не идеальное решение. Поэтому актуальна тема существенного снижения количества высокоактивных отходов, а также сокращения технологических циклов, поскольку переработка РАО традиционной атомной энергетики (создание таблеток или порошков, фабрикационное производство, прессование) — это сложно и дорого. Эти вопросы и будет решать жидкосолевой реактор.
Идея такого реактора не нова. Суть его работы в следующем: активную зону формирует расплавленная смесь из фтористых солей легких металлов и фторидов делящихся металлов. В нее добавляются высокоактивные отходы, выделенные из ОЯТ ВВЭР (фториды плутония и минорных актинидов). В реакторе происходит трансмутация минорных актинидов, и на выходе объем РАО существенно уменьшается. Конечный объем отходов зависит от выбранного нейтронного спектра. Чем более жесткий спектр, тем быстрее идет трансмутация, но тем выше и требования безопасности. В любом случае отходов на выходе будет на порядки меньше, чем на входе.
С точки зрения нормативных документов, реактор, в котором находится расплавленное топливо, — это уже аварийная ситуация. Поэтому при создании такого реактора нужно отрабатывать как технологические вопросы, так и вопросы безопасности (например, обоснование стадийности защиты при возможных инцидентах, максимальная роботизация цикла), и нормативные вопросы (эта будет совместная работа с Ростехнадзором).
Очевидно, что для создания жидкосолевого реактора потребуются принципиально новые конструкционные материалы, которые обеспечат требуемую безопасность. Мы ведем соответствующие разработки на стендах, однако считаем, что для полноценной демонстрации технологии необходим исследовательский реактор. Это будет замкнутая система, состоящая из реактора, модуля теплообмена, модуля переработки топливной соли: после очистки топливная соль снова поступит в реактор.
Полномасштабный ЖСР планируется построить к концу 2030‑х — началу 2040‑х годов. По нашим расчетам, он сможет обеспечивать трансмутацию около 250 кг минорных актинидов в год. Кроме того, эта установка будет вырабатывать тепло: исследовательский ЖСР — на уровне 10 МВт (т), полномасштабный ЖСР — около 1 ГВт (т).
Теперь давайте перейдем ко второй программе проекта — синтезу сверхтяжелых элементов. Для чего это нужно?
Синтез сверхтяжелых элементов — «божественный» проект: создаются вещества, ранее не существовавшие. Мы заглядываем прямо под ребро Адама. 119‑й элемент открывает новую строку в таблице Менделеева; начиная со 120‑го элемента образуется так называемый остров стабильности: сверхтяжелые изотопы будут существовать не нанодоли секунды, а более продолжительное время, соизмеримое со временем существования классических элементов.
Впечатляет. Однако возникает закономерный вопрос: этот проект решает только фундаментальные задачи или практические тоже?
Конечно, в числе прочих, и практические. Поняв, как происходит взаимодействие между сверхтяжелыми элементами, мы больше узнаем об аналогичных процессах в более привычных веществах и материалах. Это нужно для работ в космосе, на больших глубинах и при гипербыстрых скоростях. Умея предсказывать поведение материалов, мы сможем перейти к принципиально новым условиям их эксплуатации.
Сегодня перед всеми странами — членами «ядерного клуба» остро стоит проблема обращения с РАО. Захоронение — наиболее популярная стратегия, однако это не дешевое и не идеальное решение. Поэтому актуальна тема существенного снижения количества высокоактивных отходов, а также сокращения технологических циклов, поскольку переработка РАО традиционной атомной энергетики (создание таблеток или порошков, фабрикационное производство, прессование) — это сложно и дорого. Эти вопросы и будет решать жидкосолевой реактор.
Идея такого реактора не нова. Суть его работы в следующем: активную зону формирует расплавленная смесь из фтористых солей легких металлов и фторидов делящихся металлов. В нее добавляются высокоактивные отходы, выделенные из ОЯТ ВВЭР (фториды плутония и минорных актинидов). В реакторе происходит трансмутация минорных актинидов, и на выходе объем РАО существенно уменьшается. Конечный объем отходов зависит от выбранного нейтронного спектра. Чем более жесткий спектр, тем быстрее идет трансмутация, но тем выше и требования безопасности. В любом случае отходов на выходе будет на порядки меньше, чем на входе.
С точки зрения нормативных документов, реактор, в котором находится расплавленное топливо, — это уже аварийная ситуация. Поэтому при создании такого реактора нужно отрабатывать как технологические вопросы, так и вопросы безопасности (например, обоснование стадийности защиты при возможных инцидентах, максимальная роботизация цикла), и нормативные вопросы (эта будет совместная работа с Ростехнадзором).
Очевидно, что для создания жидкосолевого реактора потребуются принципиально новые конструкционные материалы, которые обеспечат требуемую безопасность. Мы ведем соответствующие разработки на стендах, однако считаем, что для полноценной демонстрации технологии необходим исследовательский реактор. Это будет замкнутая система, состоящая из реактора, модуля теплообмена, модуля переработки топливной соли: после очистки топливная соль снова поступит в реактор.
Полномасштабный ЖСР планируется построить к концу 2030‑х — началу 2040‑х годов. По нашим расчетам, он сможет обеспечивать трансмутацию около 250 кг минорных актинидов в год. Кроме того, эта установка будет вырабатывать тепло: исследовательский ЖСР — на уровне 10 МВт (т), полномасштабный ЖСР — около 1 ГВт (т).
Теперь давайте перейдем ко второй программе проекта — синтезу сверхтяжелых элементов. Для чего это нужно?
Синтез сверхтяжелых элементов — «божественный» проект: создаются вещества, ранее не существовавшие. Мы заглядываем прямо под ребро Адама. 119‑й элемент открывает новую строку в таблице Менделеева; начиная со 120‑го элемента образуется так называемый остров стабильности: сверхтяжелые изотопы будут существовать не нанодоли секунды, а более продолжительное время, соизмеримое со временем существования классических элементов.
Впечатляет. Однако возникает закономерный вопрос: этот проект решает только фундаментальные задачи или практические тоже?
Конечно, в числе прочих, и практические. Поняв, как происходит взаимодействие между сверхтяжелыми элементами, мы больше узнаем об аналогичных процессах в более привычных веществах и материалах. Это нужно для работ в космосе, на больших глубинах и при гипербыстрых скоростях. Умея предсказывать поведение материалов, мы сможем перейти к принципиально новым условиям их эксплуатации.
Также хотелось бы поговорить подробнее об аддитивных технологиях. Принтеры производства Росатома работают по принципу SLM — селективного лазерного плавления. Что это такое?
Этот процесс очень наглядный. Представьте себе порошок, на который воздействуют лазерным пучком, и он расплавляется. Можно расплавить порошок селективно — в определенных точках или линиях, которые и образуют нужную деталь. Расплавляются один, другой, третий и так далее слои порошка — так выращивается деталь.
Конечно, на практике все не так просто: нужно глубоко понимать физику процесса, чтобы не происходило накопление внутренних напряжений и выделение ненужных фаз.
По сравнению с другими аддитивными технологиями, такой способ 3D-печати наиболее точен: можно сфокусировать достаточно тонкий луч лазера, который обеспечит высокую дисперсность детали. Так, нам удалось получать элементы и структуры размером всего 100 микрон.
Ну и, конечно, этот способ обладает всеми преимуществами аддитивных технологий перед традиционными.
Во-первых, некоторые изделия, сложные по форме, можно изготовить только с помощью 3D-печати.
Во-вторых, за счет того, что коэффициент использования материала в аддитивных технологиях существенно выше, чем в традиционных, такие технологии гораздо более экономичны, а значит, изделия будут стоить гораздо дешевле, или, например, при их изготовлении можно будет использовать более дорогой материал.
В-третьих, 3D-печать позволяет уменьшить количество компонентов изделия: известны примеры, когда при изготовлении двигателя методом 3D-печати число узлов и компонентов, из которых он состоит, было уменьшено со 100 до 10 — то есть в десять раз!
В-четвертых, значительно упрощается логистическая цепочка. За счет того, что деталь можно напечатать по требованию, отпадает необходимость складского хранения отдельных элементов.
В-пятых, сокращается время изготовления изделия. И так далее. Очевидно, что аддитивные технологии оказывают огромное влияние на эффективность технологического процесса и конечную стоимость изделия.
Сколько установок производства Росатома сегодня функционирует внутри отрасли?
Больше пяти. Такие установки есть в ЦНИИТМАШе, РФЯЦ-ВНИИЭФе, «Науке и инновациях», Центротехе.
В рамках РТТН мы разрабатываем не только SLM-технологию и всю линейку соответствующих принтеров, которые будут печатать изделия методом лазерного плавления, но и DMLS-технологию, подразумевающую прямое лазерное сплавление с использованием не порошка, а проволоки. Детали, которые производятся на наших принтерах, успешно применяются для нужд как атомной энергетики, так и медицины, авиации, космоса и так далее.
Резюмируя нашу беседу: проект «Разработка новых материалов и технологий», судя по поставленным целям, должен оказать влияние не только на атомную отрасль, но и на другие высокотехнологичные отрасли?
Да, это так. Более того, в истории атомпрома таких примеров много. Например, когда-то перед атомной отраслью стояла задача разработки материалов, которые успешно работали бы весь срок службы реактора. Атомщики с задачей успешно справились и поделились этими технологиями с другими отраслями — нефтяной, газовой, металлургической, космической, авиационной и т. д.
Перед федеральным проектом, с одной стороны, стоит задача обеспечить развитие атомной энергетики. С другой стороны, заданы высочайшие стандарты безопасности, ресурса, обеспечения предсказуемого поведения материалов в разных условиях. Поэтому я не сомневаюсь, что результаты проекта помогут развитию многих ключевых отраслей российской промышленности.
Этот процесс очень наглядный. Представьте себе порошок, на который воздействуют лазерным пучком, и он расплавляется. Можно расплавить порошок селективно — в определенных точках или линиях, которые и образуют нужную деталь. Расплавляются один, другой, третий и так далее слои порошка — так выращивается деталь.
Конечно, на практике все не так просто: нужно глубоко понимать физику процесса, чтобы не происходило накопление внутренних напряжений и выделение ненужных фаз.
По сравнению с другими аддитивными технологиями, такой способ 3D-печати наиболее точен: можно сфокусировать достаточно тонкий луч лазера, который обеспечит высокую дисперсность детали. Так, нам удалось получать элементы и структуры размером всего 100 микрон.
Ну и, конечно, этот способ обладает всеми преимуществами аддитивных технологий перед традиционными.
Во-первых, некоторые изделия, сложные по форме, можно изготовить только с помощью 3D-печати.
Во-вторых, за счет того, что коэффициент использования материала в аддитивных технологиях существенно выше, чем в традиционных, такие технологии гораздо более экономичны, а значит, изделия будут стоить гораздо дешевле, или, например, при их изготовлении можно будет использовать более дорогой материал.
В-третьих, 3D-печать позволяет уменьшить количество компонентов изделия: известны примеры, когда при изготовлении двигателя методом 3D-печати число узлов и компонентов, из которых он состоит, было уменьшено со 100 до 10 — то есть в десять раз!
В-четвертых, значительно упрощается логистическая цепочка. За счет того, что деталь можно напечатать по требованию, отпадает необходимость складского хранения отдельных элементов.
В-пятых, сокращается время изготовления изделия. И так далее. Очевидно, что аддитивные технологии оказывают огромное влияние на эффективность технологического процесса и конечную стоимость изделия.
Сколько установок производства Росатома сегодня функционирует внутри отрасли?
Больше пяти. Такие установки есть в ЦНИИТМАШе, РФЯЦ-ВНИИЭФе, «Науке и инновациях», Центротехе.
В рамках РТТН мы разрабатываем не только SLM-технологию и всю линейку соответствующих принтеров, которые будут печатать изделия методом лазерного плавления, но и DMLS-технологию, подразумевающую прямое лазерное сплавление с использованием не порошка, а проволоки. Детали, которые производятся на наших принтерах, успешно применяются для нужд как атомной энергетики, так и медицины, авиации, космоса и так далее.
Резюмируя нашу беседу: проект «Разработка новых материалов и технологий», судя по поставленным целям, должен оказать влияние не только на атомную отрасль, но и на другие высокотехнологичные отрасли?
Да, это так. Более того, в истории атомпрома таких примеров много. Например, когда-то перед атомной отраслью стояла задача разработки материалов, которые успешно работали бы весь срок службы реактора. Атомщики с задачей успешно справились и поделились этими технологиями с другими отраслями — нефтяной, газовой, металлургической, космической, авиационной и т. д.
Перед федеральным проектом, с одной стороны, стоит задача обеспечить развитие атомной энергетики. С другой стороны, заданы высочайшие стандарты безопасности, ресурса, обеспечения предсказуемого поведения материалов в разных условиях. Поэтому я не сомневаюсь, что результаты проекта помогут развитию многих ключевых отраслей российской промышленности.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #4-5_2022