Девять фронтов атомной науки

В прошлом году «Росатом» определился с ключевыми векторами научно-технического развития. На II Отраслевой научной конференции в Сочи ученые и представители бизнеса прошлись по каждому направлению: что сделано, какие планы, когда будут результаты в виде продуктов и кто их купит. Рассказываем о самом интересном на панельных дискуссиях.

«Прорыв»: замыкание ЯТЦ на базе быстрых реакторов

Нитридное топливо, разработанное в рамках «Прорыва», — ​практически готовый к коммерциализации продукт, заявил руководитель центра ответственности проекта «Разработка твэлов и ТВС со СНУП-топливом, технологий для их производства» Михаил Скупов. Во ВНИИНМ и НИИАР созданы лабораторные установки для изготовления и изучения смешанного нитрида, облучают его в реакторе БОР‑60. На СХК топливо, твэлы и ТВС производят на экспериментальной и пилотной установках — ​промышленная технология отрабатывается. В БН‑600 облучили 11 экспериментальных ТВС, достигнуто выгорание 7,5 % т. а. Хороший результат, но ученые рассчитывают на 12 % т. а. Еще одна задача НИОКР — ​создать оболочечные материалы, способные выдержать повреждающие дозы до 200 сна.

«Мы готовы представить потенциальным заказчикам интегрированное предложение, включающее производство и испытания СНУП-топлива, послереакторные исследования и рецикл продуктов после переработки», — ​отметил Михаил Скупов. «Китайцы к 2030 году хотят запустить три быстрых реактора мощностью по 600 МВт и один «тысячник». У них в планах — ​использовать МОКС-топливо, а дальше перейти на металлическое, — ​рассказал науч­ный руководитель проектного направления «Прорыв» Евгений Адамов. — ​Мы встречались с авторами «быстрой» программы. Выяснилось, что они даже не знают, до какой стадии у нас дошла разработка СНУП-топлива. Я предлагаю сотрудникам «Росатома», которые отвечают за международный бизнес, приступить к продвижению промежуточных продуктов».

Член технического комитета «Прорыва» Юрий Хомяков рассказал об исследовании возможности дожигания минорных актинидов в быстрых реакторах. Ученые прорабатывают три решения: гомогенное введение актинидов в рефабрицированное таблеточное СНУП-топливо; изготовление америций-выжигательных элементов, которые будут помещать в топливные сборки вместе с твэлами; изготовление твэлов, 10 % таблеток в которых америциевые. Какую ни выбери, придется сначала разделить америций и кюрий. На «Маяке» в прошлом году провели горячие динамические испытания технологии разделения, результаты хорошие, сообщил Юрий Хомяков. Но нужны дополнительные исследования.

Развитие ядерной энергетики на базе технологии ВВЭР

Советник директора «Атомэнергопрома» Виктор Мохов назвал основные направления модернизации реакторов ВВЭР: снижение металлоемкости установки за счет двухпетлевой компоновки, проектирование парогенератора с горизонтальными коллекторами, применение главного циркуляционного насоса с проточной частью, при которой не нужен гидрозатвор.

Заместитель директора Курчатовского института по атомной энергетике Юрий Семченков перечислил стратегические цели развития технологии: создание к 2030 году реактора со спектральным регулированием для эффективной работы в открытом и замкнутом топливном цикле, ВВЭР-СКД с закритическими параметрами теплоносителя — ​к 2040-му, разработка ВВЭР средней мощности, конструкционных топливных материалов, исключающих возможность аварии.

Согласно стратегии развития, российская атомная энергетика к середине века должна стать двухкомпонентной. Советник гендиректора «Росатома» Владимир Асмолов отметил, что для работы по «быстрой» части стратегии создана организация с научным руководителем, генконструктором и т. д. Логично, что такая должна быть и для НИОКР по ВВЭР, считает он.

Лазерные технологии

Генеральный конструктор по лазерным системам, заместитель директора РФЯЦ-ВНИИЭФ академик Сергей Гаранин рассказал о разработках, которые включили или планируют включить в отраслевой темплан НИОКР.

Во-первых, многофункциональный лазерный модуль для дистанционного ремонта и разделки крупногабаритных металлоконструкций. Он должен резать углеродистую и нержавеющую сталь и бетон со скоростью 20 мм в минуту, в том числе под водой, на глубине до 450 м. Лазер будет востребован не только предприятиями «Росатома», но и МЧС, нефтегазовой отраслью.

Во-вторых, лазерщики «Росатома» в кооперации с РАН планируют к 2023 году делать лазеры, диоды, кабели, сканирующие системы для 3D-принтеров. Пока в отечественных аддитивных машинах ряд ключевых элементов — ​импортные.

Предлагается несколько разработок для медицины. Например, лазерный хирургический комплекс для рассечения, вапоризации, коагуляции и абляции мягких тканей, а также для фрагментации камней при лечении мочекаменной болезни. Разрабатывается комплекс оптической биопсии для диагностики онкозаболеваний на ранней стадии. Система анализирует спектры рассеяния и поглощения света биологическими тканями, деформация спектральных кривых указывает на патологию.

Протонная медицина использует радиочастотные ускорители, в них для направления пучка на опухоль применяется гентри — ​громоздкая дорогостоящая система поворотных магнитов. В «Росатоме» предлагают альтернативу — ​лазерный ускоритель. В фокус лазера помещается фольга, источник протонов. Получается, гентри не нужна: лазерный пучок к месту облучения направляют несколько небольших поворотных зеркал.

Есть проект технологии синтеза жидких активных сред нового типа для мощных прокачных лазеров, которые востребованы во многих отраслях промышленности: ОПК, микроэлектронике и др. Разрабатываются методы лазерной космической связи. По прогнозам, они обеспечат передачу данных со скоростью в шесть раз выше, чем у нынешней космической радиосвязи. Предприятия «Росатома», например, примут участие в эксперименте по организации лазерной связи между МКС и транспортным кораблем «Прогресс».

Атомные станции малой мощности

В этом направлении ученые и бизнесмены продвинулись далеко. Готовы два обликовых проекта. Первый — ​станция на базе реактора РИТМ‑200 мощностью 50 МВт и выше. Второй — ​на базе реакторной установки «Шельф» мощностью 6–10 МВт. «Анализ рынка показывает, что к 2040 году в мире могут быть построены АСММ совокупной мощностью 20–23 ГВт. Мы подсчитали, что наша доля на этом рынке будет достигать не менее 20 %», — сказал в своем докладе вице-президент по маркетингу и развитию бизнеса «Русатом Оверсиз» Антон Москвин. По его мнению, нужно как можно раньше построить первую АСММ в России, чтобы завоевать лидерство в сегменте.

Сейчас под станцию с реактором РИТМ‑200 в России рассматривают четыре локации, наиболее перспективные — ​Суроямское железорудное месторождение в Челябинской области и золотомедное месторождение Песчанка на Чукотке. Заказчиков на АЭС с «Шельфом» планируют искать в Центральной Африке, Канаде, островных государствах. Также такие установки могут пригодиться в Якутии, на Крайнем Севере России.

Предлагаемые площадки сооружения АСММ в России некоторые эксперты на конференции раскритиковали: там строить экономически невыгодно, считают они. Советник гендиректора «Росатома» Владимир Асмолов, например, думает, что нужно строить первую АСММ лишь там, где экономия на операционных издержках компенсирует капитальные затраты на сооружение.

Материалы и технологии

Заместитель гендиректора АО «Наука и инновации» и глава компании «Русатом — ​Аддитивные технологии» Алексей Дуб описал основные задачи материаловедов в контексте стратегии развития отрасли. Прежде всего, нужны новые марки стали повышенной прочности для корпусов и внутрикорпусных устройств перспективных тепловых и быстрых реакторов, нужны новые сварочные материалы. Сразу возникает дополнительная задача — ​создать для всего этого методики контроля качества и стандарты. Основные НИОКР в рамках разработки новых видов ядерного топлива идут по радиационно стойким сталям, в том числе дисперсно-упрочненным оксидами, керамическим оболочкам твэлов и ТВС. Другая область — ​технологии и порошки для 3D-печати сложнопрофильных и крупногабаритных изделий, которая снизит стоимость сооружения АЭС. «Одна из задач состоит в разработке, верификации и применении методик, обеспечивающих значительное сокращение срока сертификации и создания нормативного базиса по новым материалам», — ​отметил Алексей Дуб.

В отраслевой тематический план включена разработка технологий для жидкосолевого реактора. В такой установке ядерное топливо растворено в расплаве солей. Материаловеды должны определиться с составом соли, создать конструкционные материалы топливного контура и установки переработки соли. Нужны радиационно стойкие композитные и углеродные материалы.

Решить все задачи быстро и эффективно материаловедам помогут информационные технологии, считает профессор Линчепингского университета (Швеция), ведущий эксперт МИСиСа Игорь Абрикосов. Компьютерное моделирование позволит сократить цикл разработки нового материала с нынешних 20 до пяти-шести лет, утверждает Абрикосов. Кстати, в Швеции фонд KAW совместно с несколькими университетами и промышленными компаниями вложил более 3 млрд шведских крон (около 320 млн долларов) в разработку системы на основе искусственного интеллекта, которая будет управлять НИОКР по новым материалам.

Также развиваются методы ускоренного проведения экспериментов. Так, моделировать реакторное облучение могут ускорители ионов, сообщил начальник лаборатории Курчатовского института Алексей Кудрявцев. Они позволяют набрать повреждающую дозу гораздо быстрее. В БОР‑60 скорость набора — ​20 сна в год. На ионном ускорителе можно набирать до 50 сна в час. Но для использования метода предстоит создать специальную технику и методики облучения.

Переработка ОЯТ и мультирециклирование ядерных материалов

Объем этого рынка к 2050 году достигнет 30 млрд долларов, и руководитель департамента «Техснабэкспорта» Михаил Барышников считает, что технологии обращения с ОЯТ могут стать основой нового глобального бизнеса «Росатома». Барышников рассказал, чего ждет бизнес от науки: «Комплексная услуга должна состоять из трех компонентов. Первый — ​эффективная упаковка, второй — ​переработка ОЯТ с фракционированием высокоактивных отходов, третий — ​фабрикация топлива из регенерированных ядерных материалов».

Первый компонент — ​это разработка контейнеров, в которых облученное топливо можно и хранить, и транспортировать, создание типовых, экономически выгодных инфраструктурных решений для долговременного хранения и окончательной изоляции РАО, научное обоснование безопасности приповерхностного захоронения короткоживущих нуклидов, пристанционных хранилищ. Второй компонент — ​создание экономически эффективных технологий фракционирования ВАО, кондиционирования их короткоживущей фракции, трансмутации минорных актинидов. Третий — ​разработка технологии формирования мастер-смеси из регенерированных урана и плутония для фабрикации нового топлива, обоснование безопасности его использования в реакторах.

Водородная энергетика

В прошлом году сформирована концепция и основные направления развития водородного бизнеса, подготовлены техзадания и дорожная карта НИОКР. Специалисты «Русатом Оверсиз» изучили структуру рынка и сформировали прогноз динамики. Подробнее о потенциальных потребителях российского водорода — ​на стр. 4.

Не утихают споры о том, как производить водород. Апологеты направления считают, что нужен высокотемпературный газовый реактор (ВТГР). Однако многие энергетики уверены, что лучше на действующих атомных станциях поставить электролизеры для наработки водорода. ВТГР — ​красивая идея, но на его разработку и обоснование безопасности уйдут годы, если не десятилетия, резюмировал Владимир Асмолов.

«Мы рассчитали стоимость электролизного производства водорода на блоке с ВВЭР‑1200 — ​получилось в четыре раза больше, чем на ВТГР. Капитальные затраты на оснащение блока 20-мегаваттным электролизером составят 200 млрд рублей», — ​отметил идеолог направления, академик Николай Пономарев-Степной. При этом он согласен с тем, что надо отрабатывать более простую электролизную технологию, чтобы быстрее освоить методы хранения и транспортировки водорода. Но ставку нужно делать все-таки на ВТГР, уверен Пономарев-Степной.

Ядерная медицина

О последних разработках «Росатома» для медицины рассказал гендиректор Rusatom Healthcare Александр Шибанов. Из самого важного — ​радиофармпрепараты на основе альфа-эмиттеров, излучателей альфа-частиц. Они прицельно воздействуют на раковые клетки, не повреждая здоровые. Пока в мире зарегистрирован лишь один такой препарат — ​Xofigo немецкой компании Bayer.

Россия лидирует на мировом рынке изотопов для медицины, при этом отечественных радиофармпрепаратов до сих пор крайне мало, констатировал Александр Шибанов: у нас в стране нет платежеспособного спроса, инфраструктура для лечения методами ядерной медицины развита слабо, врачей не хватает. В таких условиях разрабатывать и производить РФП невыгодно. Мешают развитию и длительные дорогостоящие клинические испытания, сложная система регистрации лекарственных средств.

Для решения проблем врачам, разработчикам, представителям власти нужно скоординировать усилия. Кардинально изменить ситуацию можно всего за три-четыре года, считает руководитель Rusatom Healthcare.

Руководитель Физико-энергетического института Андрей Говердовский представил поисковые НИОКР. Инициативная группа молодых ученых ФЭИ изучает возможности импульсного облучения раковых опухолей фемтосекундным лазером. Он поместится в катетере — ​долгожданная альтернатива огромным ускорителям.

Термоядерные и плазменные технологии

Здесь двигатель прогресса — ​международный проект ИТЭР. Масса работы позади, но остались белые пятна. Например, до сих пор не выбран надежный материал для первой стенки, которая будет контактировать с плазмой. Научный руководитель ТРИНИТИ Владимир Черковец рассказал об уникальном проекте института — ​жидкой литиевой стенке. В ряде институтов «Росатома» идет разработка и изготовление диагностических систем ИТЭР. Для развития направления инерциального термоядерного синтеза ведутся исследования особенностей излучения плазмы.

Другие темы НИОКР по плазме и термояду — ​изучение возможностей использования плазмы для модификации материалов, разработка термоядерных источников нейтронов, безэлектродного плазменного ракетного двигателя для космических кораблей. Совместно с Курчатовским институтом и институтами РАН ученые «Росатома» планируют исследования по гибридным термоядерным технологиям и системам, инновационным плазменным технологиям, лазерному термоядерному синтезу.