От урана до маглева, от завода «Электросила» до НИИЭФА

Ключевые компоненты для международного термоядерного реактора и самого мощного в мире лазера, ускорители для науки, медицины и промышленности, подвесы для поездов на магнитной подушке — ​все это создают в НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова. 27 декабря 2020 года одно из старейших предприятий атомной отрасли отметило 75-летие.

Через несколько месяцев после старта советского атомного проекта, 27 декабря 1945 года, вышло постановление Совнаркома СССР об организации особого конструкторского бюро по проектированию электромагнитных преобразователей при ленинградском заводе «Электросила». В 1962 году ОКБ получит современное название — ​НИИЭФА.

Для чего понадобилось ОКБ и при чем здесь «Электросила»? Ядерный заряд может быть плутониевым либо урановым. Плутоний предполагалось нарабатывать на экспериментальном реакторе Ф‑1 в Лаборатории № 2. Обогащать уран планировали электромагнитным методом. Кому поручить магнит, Курчатов знал: в 1937 году в Радиевом институте он руководил сооружением первого в Европе циклотрона. В нем был магнит, сделанный на заводе «Электросила». Курчатов заказал оборудование и системы контроля для получения урана‑235 опытному коллективу.

Специалисты ОКБ создали сепараторную установку СУ‑20. Ее смонтировали в 1950 году на заводе № 418 в Свердловской области (сейчас — Электрохимический завод «Росатома»). На ней наработали делящиеся материалы для первой советской урановой бомбы и первой в мире водородной. СУ‑20 до сих пор в строю, производит более 200 наименований стабильных изотопов 47 химических элементов для науки, медицины и промышленности.

Создав для страны ядерный щит, атомщики получили возможность уделять больше внимания другим перспективным научным направлениям. Курчатов и его Институт атомной энергии начали исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Понадобились крупные экспериментальные установки. Все более масштабные ускорители заряженных частиц требовались для изучения фундаментальных свойств материи. НИИЭФА включился в эти работы и постепенно стал центром создания электрофизических установок и комплексов для решения научных и прикладных задач в области физики плазмы, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, а также в области здравоохранения, радиационных технологий, технологий сверхпроводимости.

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

Специалисты института разработали опытно-промышленные лазерные установки для сварки, термического упрочнения, модификации поверхностей, разделения изотопов, дистанционной резки материалов. В НИИЭФА создаются методы лазерного разделения изотопов: например, технология разделения изотопов свинца позволит повысить надежность реакторов на быстрых нейтронах. НИИЭФА участвует в создании самой мощной в мире лазерной установки в РФЯЦ-ВНИИЭФ — ​отвечает за такие значимые элементы лазера, как модули усилителя мощности, а также за многоканальную распределенную систему синхронизации, которая должна управлять работой оборудования на площади размером примерно с два футбольных поля, с точностью не менее десятков пикосекунд.

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

Для электропитания термоядерных комплексов и электрофизических установок прикладного назначения в НИИЭФА разработаны индуктивные накопители с запасаемой энергией до 900 МДж, импульсные источники тока широкого частотного спектра на основе емкостных накопителей, сверхмощная коммутирующая аппаратура. Это оборудование находит применение и в геологии, геофизике — ​например, в системах зондирования грунта для предсказания землетрясений и т. п.

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

С середины 1990-х годов НИИЭФА сотрудничает с немецкими исследовательскими центрами DESY и GSI: для проектов по созданию самого крупного в мире лазера на свободных электронах XFEL и ускорительного комплекса FAIR изготовлено и поставлено более тысячи электромагнитов разных типов.

УСКОРИТЕЛИ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В институте спроектировали крупнейшие из сооруженных в СССР и странах соцлагеря ускорители заряженных частиц: синхроциклотрон с энергией 680 МэВ и синхрофазотрон на 10 ГэВ для Объединенного института ядерных исследований в Дубне, гамма-циклотроны для ядерных центров СССР, стран Восточной Европы и КНР, протонный синхротрон на 7 ГэВ для Института теоретической и экспериментальной физики, линейные ускорители электронов на 300 МэВ и 2 ГэВ для Харьковского физико-технического института и др. Многие из них до сих пор работают, на них ведут исследования по ядерной физике и физике частиц высоких энергий, решают прикладные задачи.

ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНОЙ ЛЕВИТАЦИИ

Разработка транспортных систем с применением технологии магнитной левитации ведется в НИИЭФА с 2012 года. Специалисты исследовали различные варианты электромагнитного (EMS) и электродинамического (EDS) подвесов для маглева и изготовили несколько макетов. В 2017 году институт представил на выставке «Атомэкспо» систему магнитной левитации с пониженным электропотреблением.

СВЕРХПРОВОДНИКИ

Технической сверхпроводимостью институт занимается с 1960-х годов. В числе главных достижений НИИЭФА в этой области — ​создание комбинированного соленоида КС‑250 на магнитное поле 25 Тл и первого в мире токамака со сверхпроводящей магнитной системой на основе ниобий-олова. Сейчас специалисты НИИЭФА заканчивают изготовление катушки полоидального поля PF‑1 для ИТЭР. В 2017 году в атомной отрасли было запущено новое стратегическое направление — ​«Прикладная сверхпроводимость», НИИЭФА стал его интегратором. Конечная цель — ​внедрение сверхпроводниковых технологий в электроэнергетику, транспорт и другие отрасли российской промышленности. Институт координирует разработку продуктовой линейки сверхпроводящих материалов и сверхпроводникового оборудования. На базе НИИЭФА создано опытное производство длинномерных ленточных высокотемпературных сверхпроводников второго поколения (ВТСП‑2). Ученые института сделали опытный образец сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии на основе ВТСП.

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Разработанные в НИИЭФА индукционные насосы используются для перекачивания жидкометаллического теплоносителя в контурах ядерных энергетических установок с реакторами на быстрых нейтронах, для производства и дозирования натрия и других жидких металлов в металлургической и химической промышленности, в космических аппаратах. В 1960-е годы ученые НИИЭФА с коллегами из Института атомной энергии создали автономный импульсный МГД-генератор мощностью 500 МВт. Его параметры и удельные характеристики до сих пор остаются непревзойденными.

УСКОРИТЕЛИ ДЛЯ ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

В НИИЭФА создают высоковольтные ускорители электронов и для целей сугубо практических: радиационной модификации полимеров, очистки газовых выбросов, неразрушающего контроля качества изделий атомного машиностроения, химического аппаратостроения, судостроения. На базе таких ускорителей в институте разработаны инспекционные таможенные комплексы, нейтронные генераторы, электрофизические комплексы для модификаций поверхностей. Созданы серии ускорителей для ядерной медицины и радиационной стерилизации.

УСТАНОВКИ ДЛЯ ТЕРМОЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В НИИЭФА спроектировали первый крупный токамак ТМ‑3, запущенный в 1962 году в Институте атомной энергии, и изготовили для установки основное технологическое оборудование. На ТМ‑3 получены научные результаты, которые сделали токамак фаворитом в гонке за термояд. Затем был Т‑4, на котором физики совершили научный прорыв: температуру плазмы удалось поднять до 1 кэВ, а энергетическое время удержания довести до 20 мс, что в несколько раз превышало теоретические прогнозы. Дальше были Т‑10 (на нем до сих пор ведутся плазменные эксперименты), уникальные токамаки с сильным полем (ТСП) с адиабатическим сжатием плазменного шнура, Т‑15 со сверхпроводящей магнитной системой, стелларатор «Ураган‑2», экспериментальный комплекс «Ангара‑5». Сейчас НИИЭФА — ​один из ключевых участников строительства международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Институт отвечает за разработку шинопроводов, центральной сборки дивертора, обращенных к плазме компонентов и коммутирующей аппаратуры.

КРИОГЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В 2019 году в НИИЭФА запустили первый в России и второй в Европе постоянно действующий стенд комплексных исследований криогенных электронасосов, которые применяются при добыче сжиженного природного газа (СПГ). На стенде можно проводить приемочные и сертификационные испытания СПГ-насосов в среде жидкого азота, проверяя все важные параметры: уровень шума и вибрации, расход и напор насоса, потребляемую мощность, кавитационный запас и проч. В институте строят стендовый комплекс для испытаний технологий и оборудования для средне- и крупнотоннажного производства СПГ. Стенд будет первым в России и третьим в мире и позволит проводить испытания всей линейки насосов и арматуры, необходимых для реализации отечественных СПГ-проектов.