Материалы и технологии
ТЕМА НОМЕРА / #9_2022
Записал Александр ЮЖАНИН / Фото: Unsplash.com
ЕОТП позволяет работать на перспективу и решать стратегические задачи. Как именно — рассказывает первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации», научный руководитель направления «Материалы и технологии» 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 физико-химических 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.
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.
Единый отраслевой тематический план (ЕОТП) появился как организационное решение, позволяющее работать над направлениями, которые не предусмотрены в существующих механизмах государственных программ Минобрнауки, Минпромторга, а также инвестпроектов внутри госкорпорации. Федеральный проект РАЭПК (Развитие атомного энергопромышленного комплекса) к тому времени закончился, и никакой другой научно-ориентированной федеральной программы, направленной на решение долгосрочных задач, не было. Требовался внутренний механизм, который позволил бы определять, на какие масштабные проекты Росатом способен претендовать. Эту задачу и должен был решить ЕОТП.
Не так давно мы провели конференцию, в которой участвовали внешние организации, включая Курчатовский институт и другие вузы. Участники конференции пришли к выводу, что из всех существующих механизмов разработки перспективных проектов механизм ЕОТП — один из наиболее эффективных. Он позволил — еще до появления РТТН и других программ — быстро продвинуться по достаточно широкому фронту направлений и при этом сосредоточиться на решении конкретных задач. Этот механизм действительно позволяет достигать оптимального соотношения текущих задач и перспективы.
В процесс формирования ЕОТП были вовлечены значительные силы. Прошли открытые конкурсы, был сформирован тематический план, создан комитет по науке, назначены научные руководители. В результате, на мой взгляд, получился весьма эффективный инструмент. Включение в ЕОТП раздела «Материалы и технологии» было совершенно логичным, поскольку все понимали: именно превентивная наработка материалов позволяет конструкторам и разработчикам создавать конкурентоспособные продукты.
Как работает классический конструктор? Он берет референтные решения из справочника, используя технологии предыдущих этапов развития. Для того чтобы конструкторы могли работать на переднем крае науки, материалы и технологии должны развиваться как самостоятельный раздел, ориентируясь на запросы главных конструкторов и при этом двигаясь по собственной траектории.
Каждый раздел ЕОТП имеет свою логику. Какие-то направления предполагают строительство атомных объектов в ближайшей перспективе. Конечно, там должны быть использованы материалы из так называемого сводного перечня. Но есть и другие проекты, рассчитанные на более дальнюю перспективу, например, жидко-солевой реактор (ЖСР) и объекты, связанные с водородной энергетикой.
За последние годы было создано много новых технологических подходов к разработке материалов. Мы должны использовать возможности цифрового материаловедения, инновационных, в том числе аддитивных, технологий и композиционных материалов, позволяющие формировать изделие по совершенно новым принципам. Направление «Материалы и технологии» в значительной мере поисковое, оно состоит из двух частей.
Первая часть направлена на создание методологии ускорения разработки материалов. Это цифровые методы, компьютерное моделирование, ускоренные испытания, позволяющие рассчитать свойства материалов на тех предельных нагрузках, в том числе радиационных, которые при обычных, традиционных методах испытаний будут достигнуты только через 8−10 лет.
Вторая часть направления — это создание материалов на основе новых технологических принципов, позволяющих, в числе прочего, сочетать несочетаемое, например, прочность и пластичность — два свойства, которые всегда считались диаметрально противоположными. Мы также можем обеспечить принципиально иные свойства материала, например, очень высокую прочность и относительно более низкий вес изделия или высокие показатели электро- и теплопроводности. Сейчас мы работаем с материалами, обладающими в части жаропрочности, жаростойкости, длительной прочности совершенно иными характеристиками по сравнению с традиционными для атомной энергетики и вообще для конструкционного машиностроения.
Не так давно мы провели конференцию, в которой участвовали внешние организации, включая Курчатовский институт и другие вузы. Участники конференции пришли к выводу, что из всех существующих механизмов разработки перспективных проектов механизм ЕОТП — один из наиболее эффективных. Он позволил — еще до появления РТТН и других программ — быстро продвинуться по достаточно широкому фронту направлений и при этом сосредоточиться на решении конкретных задач. Этот механизм действительно позволяет достигать оптимального соотношения текущих задач и перспективы.
В процесс формирования ЕОТП были вовлечены значительные силы. Прошли открытые конкурсы, был сформирован тематический план, создан комитет по науке, назначены научные руководители. В результате, на мой взгляд, получился весьма эффективный инструмент. Включение в ЕОТП раздела «Материалы и технологии» было совершенно логичным, поскольку все понимали: именно превентивная наработка материалов позволяет конструкторам и разработчикам создавать конкурентоспособные продукты.
Как работает классический конструктор? Он берет референтные решения из справочника, используя технологии предыдущих этапов развития. Для того чтобы конструкторы могли работать на переднем крае науки, материалы и технологии должны развиваться как самостоятельный раздел, ориентируясь на запросы главных конструкторов и при этом двигаясь по собственной траектории.
Каждый раздел ЕОТП имеет свою логику. Какие-то направления предполагают строительство атомных объектов в ближайшей перспективе. Конечно, там должны быть использованы материалы из так называемого сводного перечня. Но есть и другие проекты, рассчитанные на более дальнюю перспективу, например, жидко-солевой реактор (ЖСР) и объекты, связанные с водородной энергетикой.
За последние годы было создано много новых технологических подходов к разработке материалов. Мы должны использовать возможности цифрового материаловедения, инновационных, в том числе аддитивных, технологий и композиционных материалов, позволяющие формировать изделие по совершенно новым принципам. Направление «Материалы и технологии» в значительной мере поисковое, оно состоит из двух частей.
Первая часть направлена на создание методологии ускорения разработки материалов. Это цифровые методы, компьютерное моделирование, ускоренные испытания, позволяющие рассчитать свойства материалов на тех предельных нагрузках, в том числе радиационных, которые при обычных, традиционных методах испытаний будут достигнуты только через 8−10 лет.
Вторая часть направления — это создание материалов на основе новых технологических принципов, позволяющих, в числе прочего, сочетать несочетаемое, например, прочность и пластичность — два свойства, которые всегда считались диаметрально противоположными. Мы также можем обеспечить принципиально иные свойства материала, например, очень высокую прочность и относительно более низкий вес изделия или высокие показатели электро- и теплопроводности. Сейчас мы работаем с материалами, обладающими в части жаропрочности, жаростойкости, длительной прочности совершенно иными характеристиками по сравнению с традиционными для атомной энергетики и вообще для конструкционного машиностроения.
Работа на перспективу
Заявки на включение проекта в ЕОТП поступают в госкорпорацию, их распределяют по направлениям и отправляют научным руководителям этих направлений. Затем следует серьезная экспертиза, которая заканчивается прохождением НТС госкорпорации, после чего формируется окончательный список проектов. Факторов, влияющих на выбор той или иной заявки, много, но прежде всего принимаются в расчет планируемый конечный результат и скорость его получения. Под результатом понимается создание готового изделия или работающей технологии. Для большинства проектов обязательна разработка обоснования нормативной документации.
Только около трети проектов в итоге получают одобрение. Количество организаций, участвующих в работах по проектам ЕОТП, превышает 100, а подают заявки в 2,5 раза больше. По нашему направлению на 2023 год отобрано 17 проектов, примерно столько же было в 2022 году.
О трудностях: мы не всегда сразу находим взаимопонимание с потенциальным заказчиком — заказчики живут задачами сегодняшнего, в крайнем случае — завтрашнего дня, а перед нами стоит задача обеспечить конкурентоспособность Росатома в более длительной перспективе.
В процессе работы над проектами мы стараемся создавать кооперации. Я как научный руководитель при рассмотрении работы обращаю внимание на то, какой коллектив ее делает, и даю коллегам советы о возможных путях сотрудничества. У нас есть очень хорошие примеры такой кооперации, не только крупных организаций, но и небольших компаний, умеющих эффективно решать локальные задачи.
Заявки на включение проекта в ЕОТП поступают в госкорпорацию, их распределяют по направлениям и отправляют научным руководителям этих направлений. Затем следует серьезная экспертиза, которая заканчивается прохождением НТС госкорпорации, после чего формируется окончательный список проектов. Факторов, влияющих на выбор той или иной заявки, много, но прежде всего принимаются в расчет планируемый конечный результат и скорость его получения. Под результатом понимается создание готового изделия или работающей технологии. Для большинства проектов обязательна разработка обоснования нормативной документации.
Только около трети проектов в итоге получают одобрение. Количество организаций, участвующих в работах по проектам ЕОТП, превышает 100, а подают заявки в 2,5 раза больше. По нашему направлению на 2023 год отобрано 17 проектов, примерно столько же было в 2022 году.
О трудностях: мы не всегда сразу находим взаимопонимание с потенциальным заказчиком — заказчики живут задачами сегодняшнего, в крайнем случае — завтрашнего дня, а перед нами стоит задача обеспечить конкурентоспособность Росатома в более длительной перспективе.
В процессе работы над проектами мы стараемся создавать кооперации. Я как научный руководитель при рассмотрении работы обращаю внимание на то, какой коллектив ее делает, и даю коллегам советы о возможных путях сотрудничества. У нас есть очень хорошие примеры такой кооперации, не только крупных организаций, но и небольших компаний, умеющих эффективно решать локальные задачи.
Толерантное топливо, наводороживание и композиты
Среди значимых проектов нашего направления можно отметить работы для ВВЭР-С и ВВЭР-СКД. Эти проекты будут отличаться повышенной радиационной нагрузкой на конструкционные материалы реакторной зоны при соблюдении всех требований безопасности. Если бы мы развивали эти проекты консервативно, то должны были бы увеличить толщину корпуса реактора и основных изделий длительного цикла изготовления. Соответственно, возросла бы их масса, более того, при изготовлении некоторых изделий мы оказались бы практически на пределе технологических возможностей наших предприятий. Поэтому при реализации этих проектов мы перешли на изделия из материалов повышенного класса прочности — это обеспечивает заданные характеристики при сохранении нужного сопротивления хрупкому разрушению уже при меньших толщинах.
Вторая составляющая, в значительной степени определяющая ресурс реакторной установки, — это сварные соединения. Здесь также были найдены решения, позволяющие получить необходимый уровень прочности. Основным конструкционным материалом для корпуса реактора занимался ЦНИИТМАШ, внутрикорпусными устройствами — ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей». Альянс этих двух организаций позволил решить поставленные задачи, и сегодня мы переходим к этапу завершения аттестации этих материалов. Предположительно ВВЭР-С средней мощности, то есть 600 МВт, может быть построен на Кольской АЭС. Мы тесно сотрудничаем с научным руководителем направления ВВЭР Владимиром Григорьевичем Асмоловым, и он считает, что мы свою задачу выполняем в полной мере.
Следующий важный проект связан с толерантным топливом. Речь идет о дисилициде урана, позволяющем за счет плотности топлива существенно повысить его теплопроводность. Основная проблема конструкции твэлов и ТВС — локальные перегревы. Так как у нового толерантного топлива теплопроводность как минимум в пять-семь раз выше, чем у традиционного, локальные перегревы оболочек не будут возникать даже в случаях перебоев с теплоносителем. Соответственно, вероятность возникновения аварийной ситуации фактически нулевая. Эта работа ведется АО «ВНИИНМ» и должна завершиться реакторными испытаниями экспериментальных твэлов. Такие изделия будут изготовлены в ближайшее время.
Еще один значимый проект — разработка сплава для направляющих каналов ТВС ВВЭР и PWR, обеспечивающих повышенную стойкость к наводороживанию. Наводороживание — вредный фактор, приводящий к охрупчиванию и, соответственно, снижению ресурса изделия. Мы выясняем, какой из компонентов действующего сплава существенно влияет на наводороживание, повышая растворимость водорода. На данном этапе идут поисковые работы, потому что исходный механизм влияния пока не очень понятен. Здесь два основных направления: термодинамика и работа над плотностью материала. В растворенном состоянии водород легко проникает в кристаллические решетки. Охрупчивание происходит уже при его накоплении на разных дефектах. Если мы получим материал, имеющий бо́льшую плотность и меньшую дефектность, то понизим его склонность к наводороживанию. Можно сказать, что мы работаем над сочетанием термодинамики и генетики материала. Результаты позволяют надеяться, что мы получим решение.
Хочу также отметить проект по композиционным материалам, осуществленный совместно с UMATEX. Мы стремились не только обеспечить прочность углеродного волокна, но и гарантировать его стабильность. В результате мы сумели получить требуемые характеристики, и сегодня эти материалы поставляются потребителям — как внутренним, так и внешнеотраслевым.
В рамках ЕОТП мы также начали разработку цифровых подходов к материаловедению. В результате была получена технология, позволяющая создавать инновационные материалы. Эти работы затем продолжились в программе РТТН.
Некоторые работы по аддитивным технологиям также начинались в проектах ЕОТП, а затем перешли в РТТН: создаются системы управления большими принтерами, на которых можно получать изделия в том числе и для атомной энергетики.
Отдельно отмечу: у нас нет цели достичь для каждого проекта высокого уровня по шкале TLR. Часто бывает, что несколько подпроектов сливаются в один — и их совокупность обеспечивает высокий уровень готовности.
Среди значимых проектов нашего направления можно отметить работы для ВВЭР-С и ВВЭР-СКД. Эти проекты будут отличаться повышенной радиационной нагрузкой на конструкционные материалы реакторной зоны при соблюдении всех требований безопасности. Если бы мы развивали эти проекты консервативно, то должны были бы увеличить толщину корпуса реактора и основных изделий длительного цикла изготовления. Соответственно, возросла бы их масса, более того, при изготовлении некоторых изделий мы оказались бы практически на пределе технологических возможностей наших предприятий. Поэтому при реализации этих проектов мы перешли на изделия из материалов повышенного класса прочности — это обеспечивает заданные характеристики при сохранении нужного сопротивления хрупкому разрушению уже при меньших толщинах.
Вторая составляющая, в значительной степени определяющая ресурс реакторной установки, — это сварные соединения. Здесь также были найдены решения, позволяющие получить необходимый уровень прочности. Основным конструкционным материалом для корпуса реактора занимался ЦНИИТМАШ, внутрикорпусными устройствами — ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей». Альянс этих двух организаций позволил решить поставленные задачи, и сегодня мы переходим к этапу завершения аттестации этих материалов. Предположительно ВВЭР-С средней мощности, то есть 600 МВт, может быть построен на Кольской АЭС. Мы тесно сотрудничаем с научным руководителем направления ВВЭР Владимиром Григорьевичем Асмоловым, и он считает, что мы свою задачу выполняем в полной мере.
Следующий важный проект связан с толерантным топливом. Речь идет о дисилициде урана, позволяющем за счет плотности топлива существенно повысить его теплопроводность. Основная проблема конструкции твэлов и ТВС — локальные перегревы. Так как у нового толерантного топлива теплопроводность как минимум в пять-семь раз выше, чем у традиционного, локальные перегревы оболочек не будут возникать даже в случаях перебоев с теплоносителем. Соответственно, вероятность возникновения аварийной ситуации фактически нулевая. Эта работа ведется АО «ВНИИНМ» и должна завершиться реакторными испытаниями экспериментальных твэлов. Такие изделия будут изготовлены в ближайшее время.
Еще один значимый проект — разработка сплава для направляющих каналов ТВС ВВЭР и PWR, обеспечивающих повышенную стойкость к наводороживанию. Наводороживание — вредный фактор, приводящий к охрупчиванию и, соответственно, снижению ресурса изделия. Мы выясняем, какой из компонентов действующего сплава существенно влияет на наводороживание, повышая растворимость водорода. На данном этапе идут поисковые работы, потому что исходный механизм влияния пока не очень понятен. Здесь два основных направления: термодинамика и работа над плотностью материала. В растворенном состоянии водород легко проникает в кристаллические решетки. Охрупчивание происходит уже при его накоплении на разных дефектах. Если мы получим материал, имеющий бо́льшую плотность и меньшую дефектность, то понизим его склонность к наводороживанию. Можно сказать, что мы работаем над сочетанием термодинамики и генетики материала. Результаты позволяют надеяться, что мы получим решение.
Хочу также отметить проект по композиционным материалам, осуществленный совместно с UMATEX. Мы стремились не только обеспечить прочность углеродного волокна, но и гарантировать его стабильность. В результате мы сумели получить требуемые характеристики, и сегодня эти материалы поставляются потребителям — как внутренним, так и внешнеотраслевым.
В рамках ЕОТП мы также начали разработку цифровых подходов к материаловедению. В результате была получена технология, позволяющая создавать инновационные материалы. Эти работы затем продолжились в программе РТТН.
Некоторые работы по аддитивным технологиям также начинались в проектах ЕОТП, а затем перешли в РТТН: создаются системы управления большими принтерами, на которых можно получать изделия в том числе и для атомной энергетики.
Отдельно отмечу: у нас нет цели достичь для каждого проекта высокого уровня по шкале TLR. Часто бывает, что несколько подпроектов сливаются в один — и их совокупность обеспечивает высокий уровень готовности.
Не потерять эффективность
В заключение хочу отметить, что очень важно не превратить механизм ЕОТП в обычные инвестпроекты, не ограничиться получением ответов на оперативные вопросы. Можно, конечно, работать и на короткой дистанции, но тогда каждый этап должен быть осязаемым шагом и завершаться конкретным результатом.
Главное — не потерять горизонт работ на перспективу. Для этого у каждого научного руководителя должна быть возможность на основании собственного авторитета открывать перспективные проекты, не имеющие формальной привязки к конкретному заказчику. При этом, конечно, каждый проект должен иметь четкие сроки достижения результата и сформированный коллектив заинтересованных исполнителей.
На мой взгляд, показательным примером взаимодействия с заказчиком был кейс с участием UMATEX. Он показал, что, как только организация начинает видеть свою стратегию развития, у нее тут же появляются задачи на перспективу. Другой пример — межотраслевое взаимодействие с медицинскими организациями по аддитивному производству имплантов. Применение системы качества и материалов Росатома позволило сократить период восстановления пациентов, в том числе онкобольных.
Кроме того, ЕОТП — один из важнейших инструментов кадровой политики. Именно вокруг таких проектов мы должны формировать новые научные коллективы. Поэтому ЕОТП, в дополнение к РТТН, должен оставаться инструментом, позволяющим иметь большую степень свободы и решать перспективные задачи.
В заключение хочу отметить, что очень важно не превратить механизм ЕОТП в обычные инвестпроекты, не ограничиться получением ответов на оперативные вопросы. Можно, конечно, работать и на короткой дистанции, но тогда каждый этап должен быть осязаемым шагом и завершаться конкретным результатом.
Главное — не потерять горизонт работ на перспективу. Для этого у каждого научного руководителя должна быть возможность на основании собственного авторитета открывать перспективные проекты, не имеющие формальной привязки к конкретному заказчику. При этом, конечно, каждый проект должен иметь четкие сроки достижения результата и сформированный коллектив заинтересованных исполнителей.
На мой взгляд, показательным примером взаимодействия с заказчиком был кейс с участием UMATEX. Он показал, что, как только организация начинает видеть свою стратегию развития, у нее тут же появляются задачи на перспективу. Другой пример — межотраслевое взаимодействие с медицинскими организациями по аддитивному производству имплантов. Применение системы качества и материалов Росатома позволило сократить период восстановления пациентов, в том числе онкобольных.
Кроме того, ЕОТП — один из важнейших инструментов кадровой политики. Именно вокруг таких проектов мы должны формировать новые научные коллективы. Поэтому ЕОТП, в дополнение к РТТН, должен оставаться инструментом, позволяющим иметь большую степень свободы и решать перспективные задачи.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #9_2022