Материализация идей: над чем работают материаловеды «Росатома»

Над чем сейчас работают отраслевые материаловеды, когда детали для АЭС будут печатать на 3D-принтере, а эксперименты заменят цифровым моделированием? Отвечает Алексей Дуб — ​первый заместитель гендиректора АО «Наука и инновации», научный руководитель федерального проекта по новым материалам и технологиям комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ» (РТТН).

Научный драйв

— Прежде чем перейти к вопросам, хочу поразить вас цифрами: в 2019–2023 годы запущены 139 научных проектов по материалам и технологиям, а заявок было подано более 500. Сорок проектов реализуются в рамках РТТН, остальные — ​в рамках единого отраслевого тематического плана, ЕОТП.

— Как решается, куда войдет проект?

— РТТН больше нацелена на перспективу, туда мы определили в основном проекты завтрашнего и послезавтрашнего дня — ​с возможностью промышленной реализации после 2025 года. В ЕОТП попадают прикладные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, результаты которых нужны нашим дивизионам в ближайшую пару лет.

— Почему появление этих программ активизировало отраслевое материаловедение? Дело только в деньгах?

— Когда формировались программы, мы интенсифицировали контакты ученых из разных областей. И из этого общения родилась синергия, такой научный драйв, которым заразились все. Возьмем проект жидкосолевого реактора, ЖСР. Пока мы не начали его вместе обсуждать — ​и исследователи, и конструкторы, и будущая эксплуатирующая организация, — ​казалось, что просто невозможно быстро создать эффективный материал для активной зоны: расплав солей проедает все известные сплавы. А сейчас у нас уже три — ​пять хороших вариантов. Вот этот драйв, наложенный на компетенции, позволяет серьезно продвинуться.

Проекты и люди

— По каким основным направлениям работают отраслевые материаловеды?

— Прежде всего отрасли нужны материалы для атомной энергетики. Быстрые реакторы и установки типа ВВЭР эволюционируют, развиваются инновационные проекты — ​тот же жидкосолевой реактор. Необходимы конструкционные материалы для новых активных зон. Имеем в виду и смежные области. Так, атомное машиностроение плотно сотрудничает с судостроителями. Поэтому, например, разрабатывая высокопрочную аустенитную нержавеющую сталь, держим в уме, что изделия из нее, более тонкие и легкие, помогут судостроителям увеличить полезную нагрузку судна.

Очень важный раздел этого направления — ​методики ускоренных испытаний. Новый материал для атомной энергетики нельзя просто взять и вписать в конструкторскую документацию на основании лабораторных исследований. Он должен пройти длинный цикл тестов, обосновывающих безопасность и эффективность. Время реакторных испытаний мы сократить не можем. Но можем разработать методики, которые позволят смоделировать, экспериментально проверить и отобрать из множества вариантов оптимальные, или, как мы их называем, кандидатные материалы и проводить полноценные реакторные эксперименты только с ними.

Следующее направление — ​жаропрочные и тугоплавкие материалы. Они становятся все более востребованными по мере роста энергонапряженности установок. Предприятия «Росатома» добывают редкие и редкоземельные металлы, они нужны в электронике, химической и атомной промышленности, в оптике. Многие из этих металлов тугоплавкие и требуют особых технологий, и мы развиваем комплекс работ: от добычи сырья до изготовления уникальных и по свойствам, и по форме изделий.

Относительно новое направление в «Росатоме» — ​аддитивные технологии. Для отрасли выпускается довольно много штучных изделий. 3D-печать может упростить и удешевить их производство. Например, для космического реактора нам понадобятся плиты из молибдена размером метр на метр и толщиной порядка 100 мм. Получить такую плиту по классической технологии почти невозможно: нужна просто огромная печь. Мы сделали принтер, на котором можно печатать такие изделия.

— Сколько ученых нужно для всех этих проектов?

— В кооперации участвуют 25 организаций «Росатома», около двух десятков университетов, 10 академических институтов и другие организации — ​всего более сотни.

— Не жалко делиться финансированием с внеотраслевыми организациями?

— Вопрос же не в жадности, а в эффективности. Нам важно получить результат. Случайных людей в соисполнители мы не брали — ​только тех, с кем давно и успешно сотрудничаем. Вот простой пример: в рамках нашего федерального проекта идет разработка технологий, оборудования и материалов для синтеза сверхтяжелых элементов. Курирует ее в отрасли РФЯЦ-ВНИИЭФ (Российский федеральный ядерный центр «Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики». — «СР»). Но мы же понимаем, что потребитель этих разработок — Объединенный институт ядерных исследований в Дубне. Ну и как же нам без него?

Допечатная проверка

— Какое-либо оборудование для атомных станций, изготовленное аддитивным методом, уже сертифицировано?

— Пока нет. И проблема не в том, что мы чего-то не можем напечатать, просто есть требование к изделиям для атомной энергетики: они должны быть произведены на промышленном оборудовании. И мы обязаны доказать, что изготовление изделий на 3D-принтере соответствует промышленной технологии и первое изделие от 50‑го не отличается. И подписаться под этим должны главный конструктор АЭС, головная отраслевая материаловедческая организация и Ростехнадзор. Процесс обоснования ряда технологий в отрасли начат, но на весь спектр испытаний понадобится время. Прогресс есть: например, для напечатанного внутрикорпусного устройства мы провели испытания на радиационную стойкость. Результаты позитивные.

— Цифровизация повлияла на материаловедение?

— Приведу пример из области аддитивных технологий. Наверное, вы слышали о программе «Виртуальный принтер». Это серьезная расчетная модель, которая уже верифицирована. В разработке участвовал РФЯЦ-ВНИИЭФ, несколько ведущих университетов, Курчатовский институт и Инновационный центр «Сколково». Вводишь в «Виртуальный принтер» данные о материале, параметры печати и узнаешь, что напечатается, какие дефекты могут возникнуть в изделии в процессе эксплуатации.

Другой пример: во Всероссийском НИИ автоматики им. Духова сделали цифровую модель для подбора конструкционных материалов перспективного реактора ВВЭР-СКД. На сегодня это уже стандартизованный метод, которым может пользоваться любой специалист в области материаловедения.

Прелесть новых моделей в том, что они мультимасштабные: можно посмотреть, что будет происходить с материалами и изделиями на атомарном и молекулярном уровне, на уровне кристаллической структуры, в макромасштабе.

Первые победы

— Расскажите, есть ли весомые результаты в федеральном проекте «Новые материалы и технологии».

— Мы фактически решили проблемы с конструкционным материалом для таких реакторов, как ВВЭР-С, ВВЭР-СКД, для проектов атомных станций малой мощности. Мы сделали образцы топливных оболочек из карбида кремния. Этот материал позволит полностью исключить пароциркониевую реакцию на АЭС.

Для синтеза сверхтяжелых элементов в НИИАР (Научно-исследовательский институт атомных реакторов. — «СР») получили исходные материалы: мишени с кюрием. А ВНИИЭФ спроектировал очень хороший сепаратор, который позволяет выделить сверхчистые исходные материалы для облучения.

В аддитивных технологиях я считаю важным отметить, что мы научились воздействовать на процесс кристаллизации вещества. Мы можем изготавливать изделия с уникальными характеристиками на нашем аддитивном оборудовании, причем из совершенно разных материалов: полимеров, композитов, керамики, металлов, в том числе жаропрочных. Мы решили вопросы с импортозамещением основных компонентов 3D-принтеров — ​сканаторов и лазеров, а также разработали программное обеспечение для управления аддитивным оборудованием.

Мы уже производим углеволокно, качеством не уступающее лучшим зарубежным образцам, из него сейчас делают крылья для самолетов. Производим углеволокно с уникальными характеристиками: высокая прочность в сочетании с высокой теплопроводностью. Такой материал нужен, например, для антенн в космической технике.

СПРАВКА

ЖСР — ​жидкосолевой реактор, или реактор на расплавах солей. Активную зону формирует гомогенная расплавленная смесь солей на основе фторидов легких металлов (лития, натрия и калия или лития и бериллия) и фторидов делящихся материалов (урана, плутония или тория). В «Росатоме» ЖСР рассматривают как перспективные установки-дожигатели: в них можно эффективно утилизировать долгоживущие радиоактивные компоненты отработавшего топлива тепловых реакторов. Экспериментальный жидкосолевой реактор планируют построить на Горно-химическом комбинате в следующем десятилетии.

ВВЭР-С — ​перспективный проект водо-водяного реактора со спектральным регулированием. Спектральное регулирование — ​это управление реактором за счет изменения водно-уранового соотношения путем введения в активную зону и выведения из нее вытеснителей по ходу топливной кампании. Система спектрального регулирования имеет ряд преимуществ. Во-первых, экономия природного урана: при той же мощности реактор со спектральным регулированием потребляет на 30 % меньше сырья, чем современные ВВЭР. Во-вторых, активную зону можно полностью загрузить регенерированным МОКС-топливом (сейчас не более чем на 50 %). То есть ВВЭР-С может потреблять регенерат в рамках замкнутого ядерного топливного цикла.

ВВЭР-СКД — ​перспективный проект реактора, охлаждаемого водой под сверхкритическим давлением. При таком давлении исчезает различие между жидкостью и паром, вода находится в промежуточном состоянии. Ожидается, что этот теплоноситель даст ВВЭР-СКД ряд преимуществ: более высокий, чему у современных ВВЭР, коэффициент выгорания, оптимизацию расхода природного урана, увеличение КПД, уменьшение расхода теплоносителя.