Первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации», научный руководитель Федерального проекта № 4 «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» Алексей Дуб рассказал о структуре и задачах предстоящей работы. Проект «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» состоит из трех основных направлений.
Во-первых, это исследовательский жидкосолевой реактор, который является комплементарным к другим способом дожигания минорных актинидов. Во-вторых, это фактически фундаментальное направление: технологии и оборудование в области синтеза сверхтяжелых элементов, свойства вещества в экстремальном состоянии для новой атомной и термоядерной энергетики, фундаментальные исследования по экстремальному состояние веществ и сверхтяжелых элементов. В-третьих, это раздел по разработке новых материалов с уникальными свойствами для существующих и перспективных энергоустановок, а также технологии и оборудование, ускоряющие производственные процессы в 1,5-2 раза. Сформированы различные запросы на финансирование; исходя из полученного объема, сформированы различные целевые показатели.
В рамках проекта реализуется большое количество работ. Направление по созданию жидкосолевого реактора состоит из двух частей. Первая – это демонстрация к 2024 году реакторных технологий ЖСР, для последующего перехода к полномасштабному ЖСР. Должны быть продемонстрированы возможности конструкционных материалов собственно реактора и модулей переработки топливной соли. В случае успешной реализации, Россия получит полное превосходство в части переработки ОЯТ, включая долгоживущие минор актиниды.
Сверхтяжелая задача
Следующее направление – исследование экстремального состояния вещества и сверхтяжелые элементы; на этом направлении осуществляется взаимодействие с Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне. Задача Росатома – создание материальной (экспериментальной и методической) системы для возможности производства сверхтяжелых изотопов. Росатом создает комплекс по синтезу сверхтяжелых элементов; НИИАР осуществляет изготовление мишеней с кюрием, производит радиохимическое выделение и очистку сверхтяжелых элементов. До 2024 года будет реализовано модель эксперимента синтеза элементов с номерами 119 и 120.
Экстремальное состояние вещества
В части исследований экстремального состояния вещества предстоит создание материальной базы: комплекса воздействия на турбулентные потоки в рамках возможного водородного и взрывного горения (обеспечение водородной взрывобезопасности); это построение уравнения состояния до экстремальных параметров (100 мегабар, магнитного поля до 100 мега гауссов). Будет изготовлено оборудование, включая импульсный источник линейного рентгеновского излучения мощностью более 10 в 13 Вт, который является передовым в мире.
Разработка новых материалов
Вся разработка новых материалов нацелена на энергетические технологии, что является целью программы. Перечень проектов, которые требуют разработки новых материалов, широк: работы выполняются в кооперации с Академией наук, Курчатовским институтом, ведущими вузами. Какие новации происходят в сфере создания материалов? Первый аспект – взаимоувязка структурных уровней. Во всех создаваемых материалах исследователи должны пройти в процессах производства пройти «снизу вверх» – начиная с атомарного уровня и энергетического взаимодействия, до состояния материала как такового. При возможностях компьютерного моделирования есть возможность учесть большой набор пересчетных вариантов в начале этого пути, и затем, уменьшая количество рассчитанных вариантов в виде «воронки», переходить к прямым экспериментам. Обязательно учитывается механизм поведения материалов (каждый масштабный уровень структуры) в конкретных условиях; в целом, вклад масштабных уровней в поведение и ресурс материала является недостаточно изученным аспектом. Также это позволит управлять свойствами и получать новые материалы.
От микро к макро
Уже сегодня исследователи работают с большим количеством существующих расчетных технологий. Предстоит отработать взаимодействие между масштабными факторами, когда результаты расчетов на микроуровне должны становиться исходными условиями расчета на другом масштабном уровне. Главной задачей является переход от собственно вещества, когда мы имеем свойства или даже просто показываем возможность существования вещества, к обоснованию материала. Здесь главной задачей, особенно на переходе от микро– к мезоуровню, от 10 в -5 до 10 в -2 размеров, является отработка методики расчета свойств материала от микроуровня.
Разрабатываются методики ускоренных радиационных повреждений; здесь также реализуются новые подходы. Если раньше как данность принималось подобие микроструктур материалов, подвергнутых ускоренному облучению (ионами на ускорителях) и реакторному облучению, то на сегодняшний момент оценивается соответствие механизмов деградации, подобие микроструктур, и оценка механических характеристик. Так, для оценки количественных характеристик разрабатываются специальные образцы, которые позволяют по микрообразцам ускоренного облучения на ускорителе (срок измеряется фактически часами) в конечном итоге рассчитать стойкость материала к хрупкому разрушению, используя малый образец. Такая методика позволяет переходить от микросостояния к макросостоянию вещества.
Это касается и и реакторных испытаний; НИИАР, Курчатовский институт и Институт реакторных материалов работают на сегодняшний момент над методикой ускоренния испытаний до 10 раз. На сегодняшний момент это делается на реакторе БОР-60, технология будет перенесена на МБИР. Это еще один шаг по ускорению отбора кандидатов материала для энергетических систем.
Будет сделано и делается уже
Для ВВЭР-С разрабатывается более высокопрочный материал, прежде всего для внутрикорпусных устройств. Для ВВЭР-СКД разрабатываются конструкционные металлы корпуса реактора. При этом важно, что максимальный флюенс нейтронов составляет на 3 * 10 в 20; категория прочности этого материала, которой не достигали в классических ВВЭР – уже КП65. Также это материалы ВКУ реактора и топливные материалы с флюенсом 2 * 10 в 23. К 2024 году должны быть закончены все испытания, позволяющие сделать выбор топливного материала, после чего отрасль будет полностью обеспечена для реализации этого проекта с материаловедческой точки зрения.
Как работает новая методика подбора материалов для внутрикорпусных устройств? Из трех классов материалов за два года стало возможно выбрать один кандидатный. Это позволяет методическая основа, которая делает нас ведущими в этом направлении. Наличие механизмов разрушения и методик позволяет с полной уверенностью говорить о кандидатном материале для подобного рода реакторной технологии.
Керамика лучше стали
Актуальное направление – материалы толерантного топлива на основе карбида кремния. Вопрос в выборе и типа материала, волокон карбида кремния, а также их соединения: подобно бумаге или тканому чулку. На сегодняшний момент достигнуты определенные свойства такого керамического материала; модуль упругости модуль позволяет говорить о нем как о гнущемся, с сопротивлением изгибу. Соответственно, мы получаем перспективные материалы для ЖСР. Понятно, что отрабатывать технологию, теплогидравлику и другие процессы жидкосолевой технологии позволят уже имеющиеся базовые материалы («Флайб»). Но будет интересно изучить и новое направление – более агрессивную соль «Флинак», которая обладает повышенной растворимостью по отношению к минорным актинидам. Подход к материалам и возможность работы с микроуровнем уже дает обнадеживающие результаты: мы получаем коррозионное повреждение менее 50 микрон, и в этом году рассчитываем достигнуть результат меньше 30 микрон. Соответственно полагаем, что работая параллельно с отработкой технологии по классическим материалам мы получим возможность использования более современного солевого носителя.
Ультразвук помогает печати
Аддитивные технологии – с одной стороны самостоятельная область. Но она характерна тем, что в расплавленном состоянии находится относительно небольшой объем жидкого расплава. Соответственно физическое влияние может очень ярко проявиться в маленьком объеме. Так, управляя модами дополнительного лазера, мы создаем ультразвуковые колебания в небольшом объеме расплава, и тем самым управляем структурой предкристаллизационного или фазового перехода первого рода, благодаря чему можем получать изделия из материала в микрокристаллическом состоянии, подобные тем, какие получаем при классических переделах.
Кроме металлических материалов, идет работа с углерод-углеродными, углерод-керамическими материалами, высокопрочными волокнами. В рамках этого проекта планируется получить материалы с прочностью 12К. Будет получен (в настоящее время уже исследуется) керамический материал, обладающий низкой термоусадкой, который позволит производить габаритные изделия (усадка является самым главным ограничением для керамических материалов). К 2030 году руководители проекта рассчитывают комплиментарно обеспечить отказ от захоронения отходов, функционирование фабрики по синтезу тяжелых элементов, возможность быть лидерами в унифицированных решениях строительства АЭС разного типа за счет скорости материаловедческих решений и их обоснованности.
Алексей Комольцев для журнала РЭА (по материалам доклада)
