Ученые "Росатома" создали передовые металлы для "реакторов будущего"

Ученые "Росатома" создали передовые металлы для ядерных "реакторов будущего"

Специалисты госкорпорации "Росатом" в 2022 году выполнили все намеченные задачи в области разработки новых материалов для перспективных энергетических систем – в частности, получены образцы металлов для реакторных установок, необходимых для развития атомной энергетики, рассказал РИА Новости первый заместитель генерального директора АО "Наука и инновации" (управляющая компания научного дивизиона "Росатома") Алексей Дуб.

"Самое главное – в 2022 году в рамках программы "Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в Российской Федерации" (РТТН) были выполнены все запланированные задачи, мы поступательно двигаемся вперед по различным направлениям", - отметил он.

Материалы для новых установок

"Одной из главных задач программы РТТН было обеспечить технологическую независимость и развитие – причем не только атомной, но и других отраслей, эта задача особенно актуальна сейчас", - подчеркнул Дуб.

По его словам, специалисты российской атомной отрасли выполняют свою миссию по созданию новых материалов для перспективных устройств.

"Сроки эксплуатации конкретной установки определяют превосходство отрасли перед конкурентами. Поэтому знание того, как ведут себя разные материалы при экстремальных давлениях и температурах, при заданных условиях службы, очень важно для конструкторов, чтобы понимать, как создавать новые установки", - пояснил собеседник агентства.

"С этой точки зрения мы в 2022 году сделали очень существенный шаг вперед в создании методики ускоренных испытаний, которая позволяет не просто качественно, а количественно оценить свойства материала по таким важным для атомной отрасли показателям, как распухание, склонность к высокотемпературному радиационному охрупчиванию, сопротивление хрупкому разрушению, коррозионное растрескивание под напряжением", - добавил собеседник агентства.

В минувшем году одним из значимых достижений РТТН стало получение ступенчатых поковок из новых сталей для перспективных реакторных установок ВВЭР-С и ВВЭР-СКД, рассказал Дуб.

"Был получен металл, который отличается и своей чистотой, и значительной прочностью. Так называемое термическое и радиационное охрупчивание для такого металла проявляется в значительно меньшей степени, чем ранее", - сказал он.

Перспективные материалы позволят обеспечить проекты реакторов будущих поколений высоконадежными и высокоресурсными корпусами. В частности, повышение стабильности свойств материалов корпуса реактора, освоение и совершенствование технологии изготовления обечаек большой длины для обеспечения возможности вынесения сварных швов из зоны облучения является актуальным для перспективного реактора ВВЭР-С (водо-водяной энергетический реактор со спектральным регулированием).

Спектральное регулирование позволит улучшить эффективность использования ядерного "горючего" в реакторах, что важно с точки зрения реализации в России стратегии двухкомпонентной атомной энергетики, в которой "быстрые" реакторы будут сопряжены с традиционными сейчас реакторами на тепловых нейтронах.

В реакторных установках ВВЭР-СКД при так называемом сверхкритическом давлении исчезает различие между жидкостью и паром, и вода находится в промежуточном состоянии. По оценкам специалистов, переход на сверхкритические параметры позволит повысить КПД энергоблоков АЭС до 45%, сократить удельные капитальные затраты на их сооружение при обеспечении высокой безопасности.

О перспективном топливе

"Надо также сказать, что мы достигни значительного прогресса по такому материалу, как карбид кремния. Он будет использован для создания так называемого толерантного ядерного топлива. В 2022 году были получены образцы карбида кремния с очень низким содержанием кислорода в качестве примеси, что крайне важно для работы этого материала в ядерных реакторах. Было обеспечено фактически квазивязкое состояние карбида кремния – иначе говоря, специальные композиционные образцы из него демонстрируют не только прочность, но и упругость. И специалисты ВНИИНМ по результатам определения свойств уже расчетным методом показали, что изделия из карбида кремния будут удовлетворять необходимым требованиям для изготовления оболочек толерантного топлива", - отметил Дуб.

"Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика Бочвара" (АО "ВНИИНМ", предприятие топливной компании "Росатома" ТВЭЛ) возглавляет отраслевой проект по созданию оболочек тепловыделяющих элементов из композитного материала на основе карбида кремния.

Применение толерантного ядерного топлива (accident tolerant fuel), как считается, поможет существенно повысить безопасность и эффективность эксплуатации атомных станций. В мире активно идут работы по созданию такого топлива, устойчивого к авариям с потерей теплоносителя, когда прекращается подача охлаждающей воды в активную зону ядерного реактора, что ведет к перегреву ядерного топлива. В результате повышения температуры циркониевых оболочек тепловыделяющих элементов возникает так называемая пароциркониевая реакция, сопровождающаяся выделением дополнительного большого количества тепла и водорода, взрыв которого способен привести к разрушению конструкций атомного энергоблока и выходу радиоактивных веществ в окружающую среду.

Одно из возможных решений этой проблемы основано на замещении циркония материалами, у которых реакция с паром идет с меньшим энерговыделением и нарабатывается меньше водорода. В число таких материалов входит и карбид кремния (карборунд).

Научно-исследовательский институт "ЛУЧ" в подмосковном Подольске (АО "НИИ НПО "ЛУЧ", входит в научный дивизион "Росатома") разрабатывает технологию получения изделий сложной формы из карбида кремния размерами до 900 миллиметров.

"По карбиду кремния мы не просто находимся на мировом уровне, но и даже идем быстрее зарубежных конкурентов", - добавил Дуб.

Реактор-"мусорщик"

Большим результатом в рамках программы РТТН в 2022 году стало завершение эскизного проекта исследовательского жидкосолевого ядерного реактора (ИЖСР), который намечено построить на предприятии "Росатома" "Горно-химическом комбинате" (ФГУП "ГХК", Железногорск Красноярского края).

"Это по-настоящему значимый результат, один из ключевых в проекте ИЖСР. Теперь становится возможным перейти к обоснованию инвестиций в проект реактора и оценке его воздействия на окружающую среду", - пояснил Дуб.

Обеспечение экономической эффективности и повышения экологической безопасности атомной энергетики во многом завязано на обращение с отработавшим ядерным топливом. Предстоит решить проблему так называемых минорных актинидов – долгоживущих радиоактивных изотопов трансурановых химических элементов, главным образом америция и кюрия. Они вносят главный вклад в высокую радиоактивность отходов, остающихся после переработки ядерного топлива. Эффективно перерабатывать минорные актиниды можно с помощью трансмутации – "пережигания" в ядерных реакторах или с помощью ускорителей.

Для этих целей предлагается использовать жидкосолевые ядерные реакторы на расплавах радиоактивных веществ во фторидах металлов. Как поясняют специалисты, такие установки будут обладать рядом преимуществ, в том числе повышенной безопасностью, поскольку на них в силу технологических особенностей не могут произойти тяжелые аварии. Кроме того, такие реакторы не нуждаются в изготовлении традиционных топливных элементов.

"Стоит задача найти материалы, которые имели бы ресурс, обеспечивающий безопасность такого реактора с тем, чтобы жидкосолевой расплав, рабочая температура которого составит 600-700 градусов, не вышел бы в окружающую среду. Мы проводили сложные эксперименты в обоснование поведения материалов в условиях солей двух типов, различных по своей реакционной способности. Получены вполне удовлетворительные результаты по скорости общей и межкристаллитной коррозии, дающие возможность перейти к инженерным работам по созданию реакторной установки", - сказал Дуб.

Важной задачей является контроль окислительно-восстановительного потенциала в расплавленной соли, поэтому специалисты "Росатома" и партнеры из Уральского отделения РАН создают экспериментальные ячейки, позволяющие проводить такой контроль, добавил он.

"В 2023 году мы должны начать проект по созданию исследовательской петли на реакторе СМ-3 в Научно-исследовательском институте атомных реакторов в Димитровграде (АО "ГНЦ НИИАР", входит в научный дивизион "Росатома"), чтобы на практике ее собрать в 2024 году", - отметил Дуб. Под исследовательской петлей понимается фактически экспериментальная установка на основе одного или нескольких каналов исследовательского ядерного реактора.

Трехмерная печать

Еще одним важным направлением работы ученых "Росатома" Алексей Дуб назвал развитие технологий трехмерной печати (аддитивных технологий).

"Мы ведем работы по семи разным направлениям – печать изделий для атомной энергетики, например, для атомных станций малой мощности, для космоса и других отраслей. Причем эти работы методически выстроены совершенно одинаково – в них на новых установках сразу создаются целевые изделия", - отметил собеседник агентства.

"Например, для изделий из углеродных материалов Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита (АО "НИИГрафит", входит в научный дивизион "Росатома") делает принтер, который позволяет обеспечить одновременно и непрерывное, и дисперсное армирование матрицы углеродным или стекловолокном. Это позволяет добиваться очень хороших свойств", - добавил Дуб.

Для потребностей авиапромышленности создается крупная установка, на которой можно делать ячеистые панели из титановой проволоки габаритами более 2 метров для получения несущих изделий. "В текущем году мы будем иметь уже пилотные изделия", - сказал Дуб.

Идут работы и в обеспечение фундаментальной науки.

"Мы планово двигаемся в направлении обеспечения возможности получения учеными Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в Дубне 119 и 120 элементов таблицы Менделеева", - отметил Дуб.

В ОИЯИ планируют провести серию экспериментов по синтезу элементов 119 и 120 облучением ионами кальция-48 мишеней, содержащих берклий-249 и калифорний-251. Для наработки их миллиграммового количества в НИИАР проведут реакторное облучение граммового количества тяжелых изотопов кюрия в мишенях. В проекте участвует Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ", Саров Нижегородской области).

URL: https://ria.ru/20230324/rosatom-1860270321.html