Как создание новых материалов закладывает основу для будущего ядерной энергетики

Первые атомные электростанции строились с расчетом на эксплуатацию сроком на 30 лет. Сейчас этот показатель в среднем составляет 60 лет, однако ученые говорят о потенциале в 100 лет. Кроме того, за годы развития ядерной энергетики значительно повысились требования к ее безопасности и экологичности. Более жесткие требования к предельным срокам эксплуатации и надежности АЭС заставили создателей таких электростанций придумывать совершенно новые материалы и технологии, способные соответствовать самым строгим требованиям.

Решить амбициозную задачу вывода материалов для АЭС в России на новый уровень должен проект «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации» (РТТН). В следующем году она трансформируется в национальный проект «Новые атомные и энергетические технологии».

Как создание новых материалов, технология 3D-печати, ускоренные испытания и цифровое материаловедение, а также синтез сверхтяжелых элементов помогают совершенствовать атомную энергетику, разобрались «Ведомости.Наука».

В поисках новых материалов

Создание новых типов реакторов и увеличение срока эксплуатации атомных станций требует такие материалы, которые смогут работать длительное время в экстремальных условиях. За время реализации РТТН в России запустили более 40 научных проектов, посвященных поиску новых материалов, в их работе участвуют более 50 организаций.

Полученные в ходе программы конструкционные стали позволят создать корпусное оборудования для ВВЭР-С и ВВЭР-СКД – водо-водяных энергетических реакторов. Применение таких материалов поможет снизить массу слитка для изготовления корпусного оборудования. Кроме того, конструкционный материал ВВЭР-С должен увеличить ресурс эксплуатации АЭС до 80 лет. В свою очередь, корпусное оборудование для ВВЭР-СКД позволит достичь сверхкритических параметров теплоносителя с температурой до 430 градусов Цельсия и давления до 29 МПа, чтобы повысить КПД АЭС.

Кроме того, до конца 2024 г. в «Росатоме» завершат разработку высокопрочной стали, облегченной как минимум на 20%. Ее применят в реакторах транспортного типа РИТМ-200 и РИТМ-400. Планируется, что именно этими установками оснастят атомные станции малой мощности, плавучие АЭС и ледоколы.

Разработка новых материалов в рамках РТТН в первую очередь касается атомной энергетики, однако ее результаты расширят возможности и других индустрий, заявил РБК научный руководитель федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем», первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом») Алексей Дуб. В жаропрочных и тугоплавких материалах, главным образом в металлических, нуждается авиация, космонавтика, нефтехимия и автомобилестроение.

Этим же сферам интересно и высокопрочное углеволокно, которое ранее производилось в основном с помощью иностранных технологий. В 2023 г. «Росатом» освоил промышленное производство сверхвысокопрочного среднемодульного углеродного волокна собственной разработки. В настоящее время его не только используют для нужд корпорации, но и проводят испытания для использования в конструкции самолета МС-21 – той самой разработки, что призвана заменить самолеты зарубежного производства в гражданской авиации России.

Заметным достижением для импортозамещения стала и разработка пьезоэлектрических композитов из отечественных компонентов. Эти композиты совместили в себе преимущества керамики и полимеров: гибкость, прочность и высокий коэффициент преобразования энергии. Они будут полезны для электронной промышленности, радиотехники и систем связи.

Тестировать новшества и находить для них область применения помогает цифровое материаловедение. В его рамках была создана количественная методика ускоренных испытаний, главной целью которой станет подбор и тестирование материалов для использования в реакторах.

«При современном подходе на это требуется от 13 до 15 лет. Если же использовать цифровые инструменты, то срок от разработки до обоснования материалов для ядерной энергетики мы можем сократить как минимум в два раза», – рассказала «Ведомости. Науке» директор по управлению научно-техническими программами по материалам и технологиям частного учреждения «Наука и инновации» Татьяна Тихоновская.

Детали для реактора из принтера

«Имея полный замкнутый цикл аддитивного производства, мы решаем ряд важных задач для нужд крупных проектов ядерной физики», – рассказал РБК генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ, входит в структуру «Курчатовского института») Сергей Яковлев. Благодаря такому инструменту можно изготавливать сложные устройства с многочисленными каналами и сечениями. Причем сделано это будет с точностью до миллиметра, чего крайне сложно добиться классическими методами.

В программе РТТН значительное внимание уделено аддитивным технологиям – процессу создания деталей и предметов с помощью 3D-принтера. Для решения задач атомной энергетики ученые создали целую линейку таких устройств.

Например, «Росатом» изготовил перспективные образцы 3D-принтеров для печати изделий из керамических материалов на основе карбида кремния и полимерных композиционных материалов, армированных непрерывными и дискретными волокнами. Это позволяет получать изделия, которые невозможно производить с использованием традиционных методов.

Ученые НПО «ЛУЧ» разработали первую в России установку электронно-лучевой аддитивной наплавки с возможностью управления структурой материала при изготовлении. Устройство предназначено для создания крупногабаритных изделий из тугоплавких сплавов для реакторных установок. Новая технология сокращает время производства деталей в три–четыре раза.

А специалисты машиностроительного дивизиона «Росатома» разработали 3D-принтер селективного лазерного плавления нового поколения с высокотемпературным подогревом рабочей зоны и комплексом системы контроля, что позволяет синтезировать изделия из материалов, склонных к трещинообразованию, а также обеспечивать паспортизацию технологического процесса.

Пока аддитивные технологии применяются в производстве относительно небольших изделий, однако это уже значительно удешевляет процесс и сокращает сроки изготовления, рассказывает Тихоновская. В качестве примера она привела компенсатор давления для реакторов, не превышающий в высоту и диаметр 1 м. Раньше на его производство уходило шесть месяцев, сейчас – шесть недель.

В качестве объектов, которые можно сделать исключительно с помощью 3D-принтера, Дуб называет дистанционирующую решетку из молибдена диаметром не менее 550 мм для перспективной ядерной энергетической установки, предназначенной для работы в космосе.

Как и в случае с новыми материалами, аддитивные технологии, разработанные специально для атомной энергетики, находят применение и в других отраслях, например в медицине для создания медицинских имплантатов из искусственных материалов, – этому направлению только предстоит выйти на заметные объемы в будущем.

С расчетом на будущее

Значительным прорывом в фундаментальной науке в ближайшее десятилетие станет синтезирование сверхтяжелых 119-го и 120-го элементов периодической таблицы Менделеева. В случае успеха ученые смогут лучше изучить строение ядерной материи и моделировать процессы образования тяжелых элементов.

«Один из интригующих вопросов – сохранится ли периодичность у самых тяжелых элементов? Будут ли они вписываться в существующую таблицу? Есть разные суждения, но, по-видимому, таблица будет меняться», – спрогнозировал в интервью «Известиям» научный руководитель лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академик РАН Юрий Оганесян. 119-й элемент займет первое место в восьмом периоде таблицы Менделеева, а полученные данные будут иметь большое значение для организации опытов по созданию более тяжелых элементов.

В рамках федерального проекта «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» планируется значительная модернизация экспериментальных установок и создание отдельной Фабрики сверхтяжелых элементов. Сейчас «Росатом» работает над сильноточным инжектором многозарядных ионов, который увеличит чувствительность эксперимента в 50–100 раз.

В саровском институте «Росатома» в Нижегородской области появится комплекс разделения изотопов трансурановых элементов для наработки такого редкого и дорогого элемента, как калифорний-251. Он понадобится для синтеза 120-го элемента. Кроме того, входящий в научный дивизион «Росатома» ГНЦ НИИАР разрабатывает технологии получения и нарабатывает изотопы трансплутониевых элементов, кюрия и берклия, чтобы изготовить из них мишени для проведения экспериментов по синтезу 119-го и 120-го элементов.

Сейчас сложно говорить о практическом применении будущих сверхтяжелых элементов. «Во-первых, их нужно синтезировать и изучить их физические и химические свойства. Во-вторых, даже после того, как мы их получим в единичном событии, надо будет научиться их синтезировать в количествах, необходимых для прикладных исследований», – осторожничает Тихоновская. Тем не менее проводимые исследования в дальнейшем могут быть полезны не только в фундаментальных исследованиях, но и для создания новых материалов будущих АЭС.

Куда больший интерес для практического применения сейчас представляют исследования экстремальных состояний веществ. Они позволят изучить физические процессы в уже существующих материалах в условиях сверхвысокого давления, магнитного поля, температуры и радиоактивного излучения. Конечная цель таких экспериментов – использование новых веществ в атомных станциях и повышение эффективности ядерной энергетики в целом.

Реактор для переработки отходов

Важным направлением проекта станет проектирование и создание жидкосолевого реактора (ЖСР), в активной зоне которого используются расплавы специальных солей фторидов металлов. Ключевая особенность установки – возможность использовать в составе топлива минорные актиниды. Они образуются при переработке отработавшего топлива от энергетических тепловых реакторов и представляют собой довольно опасные радиоактивные отходы.

Хотя первый ЖСР был построен еще в 1960-х гг., он до сих пор считается малоизученной технологией. Помочь в ее освоении и практическом применении поможет исследовательский жидкосолевой реактор (ИЖСР), разрабатываемый на базе АО «НИКИЭТ» совместно с Курчатовским институтом.

В рамках проекта уже создали эскизный проект ИЖСР, который определяет внешний вид всех ключевых систем будущего реактора. Кроме того, ученые выбрали коррозионностойкий материал для использования в реакторе, и его параметры по скорости коррозии не имеют аналогов в мире, утверждают авторы. Следующим шагом станет более детальная проработка проекта: создание макетов отдельных систем и проведение экспериментов, в том числе испытания нового топлива.

Все это вместе должно вывести ядерную энергетику и сопутствующие отрасли на следующую ступень развития – ту, где АЭС не просто вырабатывают электроэнергию, а глобально помогают научно-технической эволюции, провоцируя прогресс и повышая эффективность как АЭС, так и множества смежных отраслей.