совместный проект
Глава 2 Новые
материалы
Материальный базис
завтрашней энергетики
Революция, к которой готовится мирный атом,— энергосистемы IV поколения, замкнутый топливный цикл, управляемый термоядерный синтез — требует принципиально новых конструкционных решений. Энергетика будущего невозможна без материалов, способных выдерживать экстремальные температуры, мощнейшее излучение и агрессивные коррозионные среды.
Красота поверхностей внутрикорпусных устройств корпуса реактора
Источник: «АЭМ-технологии»
Созданию такого материального базиса посвящен федеральный проект «Специальные материалы и технологии атомной энергетики, опережающая подготовка квалифицированных кадров по направлению новые атомные технологии» национального проекта по обеспечению технологического лидерства «Новые атомные и энергетические технологии». В его рамках предприятия «Росатома» работают над широким спектром конструкционных материалов:
- стали феррито-мартенситного и аустенитного классов;
- никелевые и молибденовые сплавы;
- жаропрочные материалы на основе тугоплавких металлов;
- керамические системы на базе карбида кремния;
- сверхпроводники.
Задача госкорпорации не только получить новые материалы и образцы конструкций из них, но и наладить опытно-промышленные производства полного цикла: от сырья до готовых изделий.
Материальная база для энергосистем IV поколения будет готова к 2030 году, одновременно с ней разрабатываются материалы для управляемого термоядерного синтеза. Их готовность позволит перейти от лабораторных токамаков к опытно-промышленным термоядерным реакторам.
Алексей Дуб
Руководитель федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем», первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» («Росатом»)
Самый большой системный вызов в нашей работе — состязание со временем: материалы для энергетики завтрашнего дня нужны прямо сейчас, ведь это завтра уже стремительно наступает. При этом атомная отрасль — одна из самых консервативных: у нас жесточайшие требования к надежности и безопасности всех процессов и оборудования. Это означает, что разработка и внедрение новых материалов могут растягиваться на десятилетия.
В этом свете критическим становится ускорение разработки новых материалов. Этому посвящен большой пласт работ, целое направление в рамках федерального проекта. Настоящим прорывом станет разрабатываемый автоматизированный синтез новых конструкционных материалов. Эта технология позволит создавать и тестировать до десяти уникальных составов конструкционных материалов в сутки, что на порядки быстрее обычных методов.
Для этого мы создаем оборудование, в котором можно будет проводить синтез новых материалов — сплавов, композитов, керамических систем — с заданными параметрами. Кроме этого, разрабатываем программное обеспечение на основе искусственного интеллекта, который сможет самостоятельно задавать состав и структуру перспективных материалов, управлять их синтезом, а затем анализировать свойства полученных образцов и при необходимости улучшать рецептуру. Запустив такой аппаратно-программный комплекс, мы сократим сроки создания новых материалов с нескольких лет до считаных месяцев.
Перспективы использования новых материалов за пределами атомной энергетики огромны: разработки «Росатома» уже находят применение в машиностроении, судостроении, авиации, космосе, нефтегазовой отрасли, медицине.
Примером служит высокопрочное углеродное волокно, производить которое, помимо Композитного дивизиона «Росатома», способны лишь три предприятия в двух странах мира. В России из этого композита изготавливают крыло среднемагистрального лайнера МС-21, лопасти ветрогенераторов и хоккейные клюшки.
ЗУКМ UMATEX (Челябинский Завод углеродных и композиционных материалов). Здесь
запущена новая линия по производству высокомодульного углеродного волокна, открыт участок
рециклинга, выпущены опытные образцы перспективных композитов.
Источник: Газета «Страна Росатом»
Другой пример — опытный карбид кремния для оболочки ТВЭЛов, который может применяться в качестве материала камер сгорания, ракетных турбин и любых других изделий, работающих при температуре свыше 1,5 тыс. градусов.
Широкая востребованность разработок атомной промышленности неудивительна — более высокие стойкость и прочность полезны в любой отрасли, где важна эффективность. Так, из металла, который более устойчив к высоким давлениям и температурам, можно сделать более мощный двигатель меньшего размера и веса. Да и чем прочнее и долговечнее материал, тем выше срок службы изделия, ниже его износ и меньше вытекающие из этого издержки.
Реактор из 3D-принтера
Аддитивные технологии — «выращивание» или печать объектов на 3D-принтерах — стали ключевым инструментом ускорения разработки и производства новых изделий для наукоемких отраслей. И даже больше — настоящим драйвером развития промышленности в целом.
«Росатом» открыл первый зарубежный Центр аддитивных технологий (ЦАТ)
в Минске. Это совместное предприятие с белорусской компанией Н-Holding. ЦАТ оснащен двумя
принтерами российского производства — RusMelt 300M и RusMelt 600M, а также установкой
для печати песчано-полимерных форм для литья и 3D-сканером.
Источник: ТВЭЛ
Они существенно расширяют возможности разработки и производства, позволяя отступать от классических конструкций и предоставляя нестандартные решения сложных инженерных задач. Это критически важно для российской промышленности, которой предстоит в кратчайшие сроки перейти на новейшие технологии, отстоять технологический суверенитет и добиться лидерства.
Александр Комиссаров
Директор Передовой инженерной школы «Материаловедение, аддитивные и сквозные технологии» НИТУ МИСИС
Именно благодаря внедрению аддитивных технологий специалисты атомпрома освоили производство из многих принципиально новых материалов. Пример — градиентные сплавы, где в одной детали плавно осуществляется переход от нержавеющей стали к жаропрочному никелевому сплаву. Или композиты с керамическими включениями для защиты от радиации. Наконец, пористые структуры для теплообменников, которые невозможно изготовить традиционными методами, такими как фрезеровка.
На основе этих разработок атомная отрасль создает инженерные решения, которые находят применение в других сферах. Так, авиация использует апробированные в ядерной промышленности технологии печати лопаток газотурбинных двигателей. Медицина внедряет получаемые аддитивными методами пористые титановые имплантаты и биосовместимые покрытия, изначально разработанные для ядерных установок.
Нефтегазовая отрасль применяет аддитивные технологии для изготовления износостойких деталей на месте, а также металлических фильтров с ячеистой структурой, заимствованной из ядерной очистки. Водородная энергетика заимствует опыт создания компактных теплообменников, разработанных для высокотемпературных ядерных реакторов.
Аддитивные технологии незаменимы для создания изделий со сложной геометрией: неразъемных узлов и готовых механизмов. А за счет отсутствия швов у изделий, созданных аддитивными методами, выше качество и эксплуатационные характеристики. Вдобавок трехмерная печать обеспечивает высокую степень мобильности: комплектующие можно печатать прямо на месте их применения, в труднодоступных для транспорта полевых условиях.
Внедрение 3D-печати позволяет минимизировать производственные затраты и повысить темпы. Сокращается цикл работ (не требуется оснастка, литье, фрезеровка), оптимизируется масса конструкций. На этапе утилизации издержки снижаются до 90%: в аддитивном производстве отсутствуют грязные вещества, возможности рециклинга материалов 3D-печати обеспечивают безотходность процесса.
В одном из отраслевых центров аддитивных технологий
на 3D-принтере было напечатано рабочее колесо насоса для сублиматного производства
Сибирского химического комбината (АО «СХК», предприятие Топливного
дивизиона «Росатома» в ЗАТО Северск Томской области).
Источник: Топливный дивизион «Росатома»
Локомотив развития аддитивных технологий — атомная отрасль. На сегодняшний день «Росатом» успешно решил задачу по созданию собственного аддитивного производства: сегодня такие технологии активно применяют более 30 организаций и предприятий госкорпорации.
Разработаны установки для печати конструкции из металлов, полимеров, керамических материалов. Они способны выдавать изделия любой геометрии, габаритами от считаных микрон до нескольких метров. Освоено восемь различных аддитивных технологий:
- стереолитография фотополимерной пастой;
- прямое нанесение керамической пасты;
- прямое нанесение полимерных композиционных материалов;
- электродуговое выращивание;
- плазменно-дуговое выращивание;
- высокотемпературное селективное лазерное плавление;
- прямая электронно-лучевая наплавка;
- селективное электронно-лучевое плавление.
К 2030 году каждая из них выйдет на уровень серийного производства и найдет широкое применение в широком спектре отраслей за пределами атомной энергетики.
Илья Кавелашвили
Директор бизнес-направления по аддитивным технологиям госкорпорации «Росатом»
На «Росатом» возложена координация развития аддитивной отрасли в России, госкорпорация одной из первых в стране приступила к разработке материалов и отечественного оборудования для трехмерной печати. Подход к развитию аддитивных технологий комплексный.
Во-первых, «Росатом» полностью закрывает собственные потребности в аддитивном производстве: разрабатывает и производит промышленные 3D-принтеры, создает собственное программное обеспечение и производит материалы для печати. Помимо этого, госкорпорация предоставляет услуги 3D-печати, а также размещает аддитивные производства на предприятиях других отраслей и обучает персонал.
Особое внимание уделяется развитию законодательной и нормативной базы применения аддитивных технологий в промышленности. Так, «Росатом» разработал 28 из 50 действующих государственных стандартов и нормативных требований по 3D-печати.
А чтобы сформировать задел на завтрашний день, «Росатом» работает с подрастающим поколением: от детских садов до вузов. Для этого развивается федеральная сеть центров аддитивных технологий общего доступа. Ее задача — опережающая подготовка высококвалифицированных инженеров аддитивного производства. Это будущее для предприятий не только самого «Росатома», но и других крупнейших технологических компаний страны. Сегодня действуют семь таких центров: в Ижевске, Красногорске, Томске, Белгороде, Химках, Самаре и Хабаровске. Также «Росатом» планирует развивать зарубежную сеть центров, первый был открыт в сентябре 2025 года в Республике Беларусь — таким образом, 3D-технологии «Росатома» уже вышли на экспортные рынки.
Фабрика элементов расширит границы материального мира
Важный способ получения новых знаний об устройстве материи — пополнение таблицы Менделеева все более тяжелыми атомами, исследование их поведения и свойств. Лидер в этой работе — российская научная школа.
В прошлый раз периодическая таблица пополнилась в 2016 году. Тогда в нее добавили сразу четыре элемента вплоть до оганессона (118-й), и все они были получены в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. А сегодня здесь готовятся получить следующие два элемента: 119-й и 120-й.
Работа первой в мире Фабрики сверхтяжелых элементов (ускорителя ДЦ-280),
запущенной в Объединенном институте ядерных исследований. ОИЯИ, Дубна, Московская
область.
Источник: Газета «Страна Росатом»
Новые элементы оказываются один нестабильнее другого: начиная с московия (115-й) срок существования их атомов исчисляется в миллисекундах. Однако теория строения ядер допускает существование так называемых островов стабильности: предполагается, что определенные атомные номера и массы будут соответствовать высокой продолжительности существования атомов вплоть до миллионов, быть может, миллиардов лет. Одним из таких элементов может оказаться 120-й.
Если ожидания оправдаются, это произведет революцию в фундаментальной науке. Не говоря уже о том, что изотопы первого стабильного сверхтяжелого элемента могут стать принципиально новыми материалами, пригодными для промышленного освоения.
Юрий Оганесян
Академик РАН, научный руководитель Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований
Синтез новых элементов расширяет представления фундаментальной науки об устройстве ядерной и атомной материи. Физики ОИЯИ в Дубне открыли 10 из 26 известных в настоящее время элементов, созданных человеком. Каждое из этих открытий стало шагом в исследовании структуры ядерной материи и доказательстве существования так называемого острова стабильности, предсказанного микроскопической теорией ядра более 50 лет назад. Мы ожидаем, что синтез следующих двух элементов, 119-го и 120-го, открывающих 8-й ряд таблицы Менделеева, также подтвердят теоретические прогнозы.
Прямо сейчас идет подготовка к длительным экспериментам в нашей новой лаборатории, которую называют «Фабрикой сверхтяжелых элементов». Уже выбрали реакцию синтеза: мишенями будут изотопы искусственных элементов с атомными номерами 97 (берклий) и 98 (калифорний) и массовым числом 249, а бомбардирующим ядром — изотоп 22-го элемента (титана) с массой 50. Слияние ядер мишени и снаряда должно привести к образованию искомых элементов.
В настоящий момент находимся в ожидании наработки мишенного материала на высокопоточном реакторе СМ-3 в Димитровграде. После этого нужно будет изготовить качественную мишень, которой предстоит в течение года непрерывного облучения принять огромную дозу ядер титана. Эксперимент будет идти практически непрерывно, без права на остановку или ошибку.
Синтез новых элементов будет осуществлен на «Фабрике сверхтяжелых элементов» — новейшем ускорительном комплексе ОИЯИ на базе циклотрона ДЦ-280. Он был запущен в 2020 году.
Фабрика сверхтяжелых элементов (циклотрон ДЦ-280) ОИЯИ в Дубне.
Источник: Пресс-служба ОИЯИ
Материалом для получения 119-го элемента послужит берклий-249, необходимое количество этого изотопа нарабатывают в ГНЦ НИИАР в Димитровграде (Ульяновская обл.). Для синтеза 120-го элемента будет использован калифорний-251.
Оба материала будут подвергнуты бомбардировке титаном-50, слияние ядер элементов-мишеней с ядрами элемента-снаряда приведет к синтезу новых обитателей таблицы Менделеева. Начать эксперименты на ускорителе в ОИЯИ намерены в 2026 году.