Новый элемент таблицы Менделеева. Наука расширяет границы возможного

Для реакторов, которые необходимы для дальних космических полётов, нужны новые материалы. Создавать их учёным помогает национальный проект «Новые атомные и энергетические технологии».

Есть такая наука — материаловедение. Она позволяет правильно выбрать материал и определить технологию его изготовления, чтобы изделие обладало нужными характеристиками. Прежде, чем человек поднялся в небо, появились материалы, из которых можно было сделать воздушный шар. Прежде, чем современные самолёты стали летать, были созданы материалы для их производства.

Ускорение в разы

Ещё недавно создание новых материалов было делом чрезвычайно трудоёмким и долгим. Нужно было определить, какие компоненты, соединившись, могут дать нужный эффект, а затем экспериментальным путём подтвердить это. Но сегодня появился искусственный интеллект, главное достоинство которого — способность за мгновение человеческого ока перерабатывать огромные массивы информации.

Учёные «Росатома» работают над оборудованием и технологиями для автоматизированного синтеза новых материалов на базе ИИ. В чём суть? Современный ИИ, при наличии модели и баз данных, способен моделировать тысячи комбинаций химических составов и подбирать кандидатные материалы с заданными свойствами, которые затем будут синтезированы на автоматизированной технологической линии для проверки прогноза моделей. Это значительно сократит время, необходимое для поиска новых составов, с нескольких лет до нескольких месяцев.

Создание предиктивных моделей для решения прямой (предсказания свойств материалов) и обратной (подбор материалов с заданными свойствами) уже завершено. К концу 2026 года будет создана автоматизированная линия для синтеза новых материалов на основе железа и никеля. Оборудование позволит синтезировать до 10 уникальных новых составов кандидатных сплавов в сутки. Соответственно, поиск перспективных компонентов конструкционных материалов, используемых при изготовлении изделий для энергетики, космоса и медицины, ускорится в разы.

Прочность металла

Попробуйте выговорить: многофиламентное карбидокремниевое волокно. Трудно? Но сделать его значительно труднее. Тем не менее атомщики создали технологию изготовления такой цельной и тонкой нити длиной более 10 метров. Разрабатывается технология производства оболочек твэлов из карбида кремния для реакторов АЭС.

Такие волокна нужны не только атомщикам. Обладающие устойчивостью к высоким температурам, химической стабильностью и механической прочностью, они востребованы и в аэрокосмической отрасли.

Не отстают и металлические материалы. Прошли первые испытания дисперсно-упрочненной оксидами стали на основе системы Fe-Cr-Al (железо-хром-алюминий). Они показали, что новая сталь сохраняет комплекс механических свойств и структурную стабильность при температурах до 750°C. А исследования распухания после высокодозного ионного облучения подтвердили перспективность применимости ДУО-сталей в качестве материалов для оболочек твэлов быстрых реакторов нового поколения. Для проверки этой гипотезы уже изготовили 30 метров оболочечных труб.

Не разрушатся и при 1250 °C

Сегодня очень нужны тугоплавкие металлы и сплавы на их основе, которые и в атомном реакторе не расплавятся, и на сверхскоростях в атмосфере не сгорят. При этом некоторые из них вообще не поддаются механической обработке, другие обработать можно, но с огромным трудом. Соответственно, изделия из таких материалов изготавливать классическими методами либо невозможно, либо нецелесообразно. А потому требуются новые технологии.

В научно-исследовательском институте НПО «ЛУЧ» (входит в научный дивизион госкорпорации «Росатом») разработали целую линейку опытного оборудования для этих целей. То есть технологии реализованы, как говорится, «в металле».

Речь идёт о селективном и прямом электронно-лучевом плавлении, а также горячем изостатическом прессовании. Как поясняет научный руководитель приоритетного направления научного-технологического развития «Росатома» «Материалы и технологии», первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» (входит в госкорпорацию) Алексей Дуб, благодаря этому оборудованию специалисты изготовят сопловые аппараты, заслонки, узлы турбонасосных и турбоэлектрических агрегатов, колёса осевых и радиальных турбин и многие другие изделия, работающие под высокой нагрузкой при температурах свыше 1250 °C.

Отходы станут ресурсом

Стратегия развития двухкомпонентной атомной энергетики, реализуемая «Росатомом», предусматривает переход к замкнутому ядерному топливному циклу. Его ключевая задача — максимально полно использовать энергетический потенциал ядерных материалов, возвращая в топливный цикл пригодные для этого компоненты отработавшего ядерного топлива и сокращая объём радиоактивных отходов, требующих окончательной изоляции.

Одним из перспективных направлений исследований являются жидкосолевые реакторы, которые могут обеспечить эффективное использование минорных актинидов. В таких реакторах предполагается в процессе ядерных реакций преобразовывать долгоживущие радионуклиды в другие нуклиды, в том числе более короткоживущие или стабильные. Это позволит снизить радиотоксичность и потенциально уменьшить долгосрочную нагрузку на систему обращения с радиоактивными отходами.

Реализация этих технологий открывает перспективы для развития атомной энергетики с более рациональным использованием ядерных материалов. То, что сегодня требует затрат на безопасное хранение и изоляцию, в перспективе может стать дополнительным ресурсом для производства энергии. Кроме того, развитие соответствующих технологий способно укрепить научно-технологические позиции России и создать предпосылки для оказания услуг по переработке и трансмутации минорных актинидов.

Фундаментальные исследования

В национальном проекте «Новые атомные и энергетические технологии» зафиксирована фундаментальная задача — синтез новых сверхтяжелых элементов — экспериментального получения 119-го и 120-го элементов периодической таблицы Д. И. Менделеева.

Над обоснованием теоретической возможности их синтеза работает кооперация организаций госкорпорации «Росатом» и Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

Традиционно ключевую роль в экспериментах по данному направлению занимают российские ученые (элементы с номерами 114-118 синтезированы в Дубне). Продолжение проведения НИОКР по созданию новых элементов позволит закрепить престиж научной школы России и проверить гипотезу существования «острова стабильности» изотопов и Периодической системы в ее классической форме.