Для создания реакторов новых поколений будут использоваться инновационные материалы с уникальными свойствами, а также технологии, в том числе 3D-принтеры, которые смогут печатать из таких материалов детали уникальной сложности и габаритов. Заработают жидкосолевые реакторы, способные перерабатывать самые долгоживущие радиоактивные отходы. Синтез новых сверхтяжелых элементов расширит представления о границах материального мира.
Госкорпорация «Росатом» ведет работы по этим направлениям в рамках четвертого федерального проекта комплексной программы РТТН: «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем».
На предприятиях «Росатома» разрабатывают новые конструкционные материалы, из которых будут изготавливаться компоненты реакторных установок IV поколения: ВВЭР-СКД, БРЕСТ-ОД-300, БН-1200, БР-1200. Это металлические и композиционные материалы, отличающиеся повышенной надежностью и стойкостью к воздействию высоких механических нагрузок, температур, радиации и коррозии, необходимых для обеспечения эксплуатационных свойств реакторов будущего, работающих в замкнутом ядерном топливном цикле.
Среди разработок — новые стали феррито-мартенситного и аустенитного классов, никелевые и молибденовые сплавы, керамические системы на базе карбида кремния, высокопрочное углеволокно, высокоэнергетические магниты из принципиально новых сплавов редкоземельных элементов. Всего ведется 16 НИОКР.
В ходе разработки новых конструкционных материалов обязательно учитывается перспектива промышленного применения во множестве отраслей за пределами атомной энергетики — от всевозможных направлений машиностроения до авиации и космоса. Например, уже разработанное и производимое на предприятиях «Росатома» углеволокно проходит испытания для изготовления крыла новейшего среднемагистрального авиалайнера МС-21.
Весь комплекс работ по новым материалам будет завершен в 2030 году. Уже в 2027–2028 годах по направлению металлических материалов будут готовы промышленные технологии, а по композитам —готовые изделия, прошедшие испытания. К 2030-му начнется разработка промышленных материалов для термоядерной энергетики — их появление должно будет обеспечить переход от лабораторных установок к промышленным образцам.
В АО НПО «ЦНИИТМАШ», где создают материалы для корпусов реакторов ВВЭР-С и ВВЭР-СКД, еще в 2022 году перешли от лабораторных плавок к промышленным изделиям — изготовлению в заводских условиях опытных поковок весом до 10 тонн. В 2023-м начали отрабатывать технологию сварки, приступили к исследованию основных материалов и получаемых в промышленных условиях сварных соединений.
Это сталь аустенитного класса с повышенными прочностными характеристиками, позволяющая существенно сократить вес и габариты изделий из нее. Выигрыш в массе для малых модульных реакторов критичен: они должны быть достаточно компактными и легкими, так как это позволяет повысить их энерговооруженность и увеличить полезную нагрузку за счет высвобождения площади. В 2023 году по всему комплексу свойств новой стали начались аттестационные испытания.
Этот композитный материал обеспечит полное исключение пароциркониевой реакции при высоких температурах, что позволит создать толерантное топливо, стойкое к авариям, связанным с потерей теплоносителя в ректорах типа ВВЭР: это позволит существенно повысить безопасность эксплуатации атомных станций.
Кроме этого, новые оболочки смогут увеличить эффективность современных реакторов за счет повышения выгорания топлива и продолжительности топливной кампании.
Волокна из мезофазных пеков обладают традиционной для композитов легкостью и при этом — высокой прочностью и теплопроводностью вдвое выше, чем у меди. Они позволяют заменять более тяжелые и дорогие металлические материалы в ряде конструкций, таких как космические аппараты. В 2024 году из инновационного углеволокна создадут первые образцы изделий.
Атомная отрасль — одна из самых консервативных, что продиктовано жесточайшими требованиями к надежности и безопасности всех процессов и оборудования. Разработка и внедрение новых материалов для нее может занимать не одно десятилетие. Поэтому особое значение в «Росатоме» придают созданию инфраструктуры для ускоренной разработки новых материалов. Важнейшее направление таких работ — разработка инструментов цифрового материаловедения.
Речь идет о большом пуле различных программ для мультимасштабного моделирования и предсказания свойств перспективных материалов.
Фундамент, на котором основана работа таких инструментов, — широчайшая база данных свойств материалов. Она уже насчитывает тысячи результатов экспериментов и постоянно пополняется. В частности, для разработки материалов реакторов IV поколения ее пополняют результатами экспериментов с веществами в экстремальных состояниях — при колоссальных давлениях, энергиях и температурах.
Разработка новых технологий и материалов для ядерной энергетики требует расширения знаний о процессах и свойствах вещества в экстремальных состояниях: при сверхвысоких давлениях, плотностях и температурах. Такие исследования проводят в ГНЦ РФ ТРИНИТИ.
Это самые разные эксперименты: от изучения электропроводности жидких металлов, скорости коррозии сплавов в ионизирующем излучении и способов беспламенного сжигания водорода до исследований поведения дейтериевой плазмы под давлением в 60 млн атмосфер.
Откроет новые возможности для развития множества других отраслей: от судо- и авиастроения до космоса, включая сверхбыстрые перелеты, освоение Луны и Марса.
Часть экспериментов в ГНЦ РФ ТРИНИТИ проводят на уникальном термоядерном комплексе «Ангара-5-1». Это одна из крупнейших установок для исследований по инерциальному управляемому термоядерному синтезу, физике быстрых разрядов и динамике излучающей плазмы.
Установка работает с 1984 года, занимает площадь 250 кв. м и весит больше тысячи тонн. С помощью тока силой до 5 мегаампер она способна выдавать рентгеновское излучение с энергией 120 тыс. джоулей длительностью 5–10 наносекунд.
На «Ангаре-5-1» не только исследуют поведение вещества в экстремальных состояниях. Эта установка генерирует потоки тяжелых ионов металлов, ядер гелия и водорода — благодаря этому на ней можно быстро получать очень высокие значения повреждающих доз облучения, что очень важно для проведения исследований по поведению материалов в условиях, имитирующих реальные.
Ключевой инструмент для ускорения разработки и производства новых изделий и устройств для наукоемких отраслей — аддитивные технологии, то есть «выращивание» или печать объектов на 3D-принтерах. На предприятиях «Росатома» разрабатывают установки, способные печатать конструкции из металлов, полимеров и керамических материалов, причем сложной геометрии и габаритами до нескольких метров, например корпуса малых модульных реакторов целиком.
Две аддитивные установки созданы в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого: одна «выращивает» металлические изделия путем «наплавления» материалов электрической дугой, вторая — плазменной. В установке, разработанной и изготовленной в НПО «ЦНИИТМАШ», для этого используются высокотемпературный лазер и высокотемпературный подогрев рабочего объема, что позволяет изготавливать изделия из порошковых материалов тугоплавких сплавов.
3D-принтеры разработки «НИИграфит» печатают полимерными и керамическими композиционными материалами. А в НПО «ЛУЧ» изготовлен не имеющий аналогов в мире трехосевой сканатор — лазерно-оптическая система, которая позволяет контролировать температуру плавления и управлять структурой материала во время печати изделий.
В этом же институте разрабатывают два 3D-принтера для печати изделий из жаропрочных тугоплавких металлов: один из них рассчитан на печать изделий из порошковых материалов, другой — из монокристаллических прутковых материалов. Благодаря этим разработкам в России появится возможность изготавливать на собственном оборудовании сложнопрофильные изделия для космоса.
К 2024 году будут готовы демонстрационные прототипы в общей сложности восьми установок:
Тогда же, в 2024-м, начнутся эксплуатационные испытания изделий, получаемых на этих принтерах. К 2030 году аддитивные технологии выйдут на уровень серийного производства.
Рядовой практикой станет не только изготовление на 3D-принтерах новых деталей, но и оперативный ремонт вышедших из строя. Так, уже существуют методы обратного инжиниринга: сломавшееся изделие сканируют, и на основе полученной трехмерной модели изготавливают точную копию.
Завершающим этапом замкнутого ядерного топливного цикла должна стать полная переработка долгоживущих минорных актинидов. Это изотопы нептуния, америция и кюрия, которые выделяют во время переработки облученного ядерного топлива реакторов на тепловых нейтронах.
Если бы не их содержание, отработавшее ядерное топливо можно было бы перерабатывать полностью, а не захоранивать в специальных хранилищах.
Одним из способов переработки минорных актинидов станет их сжигание в так называемых жидкосолевых реакторах. Топливом для такой энергоустановки является жидкая (расплавленная) смесь из фторидов солей и фторидов делящихся материалов — минорных актинидов и плутония. Эта топливная композиция — жидкий солевой расплав — одновременно служит и теплоносителем.
В активной зоне такой установки будут создаваться гораздо более высокие рабочие температуры, чем в традиционных реакторах, — до 700 градусов Цельсия. Расплав из радиоактивной солевой смеси —крайне агрессивная среда, поэтому создание жидкосолевого реактора потребует разработки новых материалов, способных выдерживать такие условиях, технологий дистанционного обслуживания и ремонта и т. д.
Исследовательский жидкосолевой реактор (ИЖСР) будет построен в Красноярском крае на территории Горно-химического комбината — это предприятие «Росатома» специализируется на финальном этапе обращения с отработанным ядерным топливом. В 2022 году в НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля завершили эскизный проект реактора. В настоящее время испытываются конструкционные материалы наиболее нагруженных элементов установки — корпуса, топливного контура, теплообменного оборудования, отрабатываются технические решения.
Топливо для ИЖСР разрабатывают во ВНИИНМ им. А. А. Бочвара. Одна из задач — получение химически чистых фторидов минорных актинидов. Сам по себе синтез этих соединений давно освоен, однако чтобы использовать их в качестве топлива жидскосолевого реактора, необходимо, чтобы они соответствовали жестким техническим требованиям, прежде всего по содержанию кислорода и другим коррозионно-активным примесям.
Планируется, что тепловая мощность ИЖСР составит не более10 МВт, однако после успешной отработки технологии на нем станет возможным создание жидкосолевых энергоустановок с мощностью более 2 ГВт.
Экспериментально подтверждая возможность существования все более тяжелых атомов, исследуя их поведение и свойства, ученые получают новые знания об устройстве материи, о процессах ее образования во Вселенной. Лидерство в этом направлении принадлежит российской научной школе.
Последний раз таблица Менделеева пополнялась в 2016 году, тогда в нее добавили сразу четыре элемента: нихоний (113-й элемент), московий (115-й), теннессин (117-й) и оганессон (118-й). Все они были получены в 2004–2009 годах в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне. Российские ученые также первыми в мире смогли получить пять новых изотопов: лоуренсий-264, московий-286, дармштадтий-276, хассий-272 и сиборгий-268.
Радиоактивны все элементы после свинца (82-й). Элементы тяжелее урана (92-й) не встречаются в природе — семь последующих вплоть до фермия (100-й) нарабатывают в реакторах, а для получения более тяжелых требуются уже ускорители. Элементы с атомным номером больше 100 называют «сверхтяжелыми». Время существования их атомов измеряется в днях, часах и минутах, а начиная с московия (115-й) — в миллисекундах.
Если до этих «островов» удастся добраться, это в первую очередь станет революцией в фундаментальной науке. Кроме того, существует шанс, что изотопы таких элементов станут принципиально новыми материалами, пригодными для промышленного освоения.
К синтезу 119-го и 120-го элементов готовят Фабрику сверхтяжелых элементов — новейший ускорительный комплекс в ОИЯИ (Дубна) на базе циклотрона ДЦ-280. Он был запущен совсем недавно, в 2020 году.
Для синтеза сверхтяжелых элементов Фабрику сверхтяжелых элементов в ОИЯИ при поддержке Госкорпорации «Росатом» в рамках четвертого федерального проекта модернизируют: в частности, для нее разработают и изготовят уникальное оборудование — сильноточный инжектор многозарядных ионов на базе сверхпроводящего источника электронно-циклотронного резонанса с частотой СВЧ-накачки 28 ГГц. Это увеличит чувствительность экспериментов в 50–100 раз.
В РФЯЦ-ВНИИЭФ (Саров) строится комплекс разделения изотопов на базе электромагнитного масс-сепаратора нового поколения. На этом оборудовании будут нарабатывать необходимые объемы калифорния-251, которые послужат материалом для синтеза 120-го элемента. В качестве снарядов также послужат кальций-48 или титан-50.
Развитие инфраструктуры, освоение технологий будут завершены в 2024 году, тогда же начнется производство мишеней. На 2025-й запланирован старт экспериментов в ОИЯИ. Осуществить синтез новых элементов планируют к концу 2030 году.
