В Росатоме идет разработка новых технологических решений для развития наукоемких отраслей
Материалы нового века
Как в Росатоме идет разработка новых технологических решений для развития наукоемких отраслей
То, что раньше казалось вымыслом писателей-фантастов, теперь стало реальностью: промышленные принтеры печатают сложные многосоставные изделия, с помощью цифровых технологий можно детально предсказать свойства еще не созданных материалов, ученые готовятся синтезировать новые элементы таблицы Менделеева. Для Росатома направление по разработке новых материалов программы «Развитие техники, технологий и научных исследований» (РТТН) — одно из приоритетных.
Директор проектов НИОКР по федеральному проекту «Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем» (ФП‑4 РТТН) Татьяна Тихоновская рассказывает о целях работы и уже достигнутых результатах.
— Татьяна Александровна, расскажите об основных направлениях, которые включает в себя четвертый федеральный проект.
— Все проекты в составе РТТН дополняют друг друга. Наш проект также направлен на достижение целей других федеральных проектов. Этим объясняется и выбор основных направлений.
Первое направление — это разработка материалов, в первую очередь для нужд атомной энергетики, но также и для авиации, космоса и других стратегических отраслей.
Второе направление — разработка и демонстрация технологических решений для создания исследовательского жидкосолевого реактора (ИЖСР). Это сложный и амбициозный проект: пока ни в одной стране мира нет промышленно эксплуатирующихся реакторов этого типа.
Третье направление — разработка технологий, оборудования и изотопов для синтеза сверхтяжелых элементов.
И последнее, четвертое, направление — это изучение свойств вещества в экстремальных состояниях, например при сверхвысоких значениях давления и температуры. Это нужно в том числе для выполнения прикладных задач при разработке конструкционных материалов для атомной энергетики.
— Вы упомянули жидкосолевой реактор. Для чего нужна эта установка?
— Жидкосолевой реактор будет необходим на последней стадии замкнутого ядерного топливного цикла (ЗЯТЦ). Основная задача жидкосолевого реактора — дожигание минорных актинидов, что позволит отказаться от захоронения радиоактивных отходов (РАО) и таким образом решить проблему ядерного наследия. Топливом для активной зоны ИЖСР выступает расплавленная смесь из фтористых солей легких металлов и фторидов делящихся материалов, включая минорные актиниды, являющиеся высокоактивными отходами от переработки ОЯТ. Это сложная и малоосвоенная технология. Поэтому кроме новаторских конструкторских разработок потребуется и решение других серьезных научных задач: прежде всего разработка технологий контроля и управления окислительно-восстановительным потенциалом топливной соли при эксплуатации реактора и в ходе ее переработки, чтобы снизить коррозионную нагрузку на конструкционные материалы.
Отмечу, что разработкой ИЖСР занимается не только Россия, но и другие страны с развитой ядерной энергетикой. Специалисты рассматривают различные топливные системы, например французы — хлоридные, китайцы — фторидные, но готового промышленно освоенного решения пока нет ни у кого.
— А какие задачи ставятся перед Фабрикой сверхтяжелых элементов?
— Фабрика сверхтяжелых элементов — это глобальный проект фундаментальной науки. Он позволит ответить на вопрос о границе материального мира (масс ядер): 118-й элемент — сейчас последний в периодической таблице Менделеева, и ученым предстоит выяснить, могут ли существовать новые, еще более тяжелые элементы. Если удастся синтезировать 119-й и 120-й элементы, ученые смогут глубже изучить строение ядерной материи, моделировать процессы образования тяжелых элементов во Вселенной, прогнозировать их существование в природе и т. д.
Синтез 119-го элемента будет осуществляться в наиболее перспективной реакции берклий-249 + титан-50, а синтез 120-го элемента — в реакции калифорний-251 + титан-50. 119-й элемент станет первым элементом в восьмом периоде периодической системы химических элементов. Результаты будут исключительно важны для планирования экспериментов по синтезу более тяжелых элементов.
Для успешного проведения этих работ необходима глубокая модернизация имеющихся экспериментальных установок и создание Фабрики сверхтяжелых элементов. Для этого нужно будет изготовить уникальное оборудование. Это, во-первых, сильноточный инжектор многозарядных ионов на базе сверхпроводящего ионного источника электронно-циклотронного резонанса с частотой СВЧ-накачки 28 ГГц. Именно он увеличит чувствительность эксперимента в 50–100 раз. Во-вторых, в саровском РФЯЦ-ВНИИЭФ построят комплекс разделения изотопов трансурановых элементов на базе электромагнитного масс-сепаратора нового поколения. Такое оборудование позволит, например, нарабатывать калифорний-251 — редкий и дорогой материал. Наши коллеги в димитровградском ГНЦ НИИАР (входит в научный дивизион Росатома) разработают технологии получения и наработают изотопы трансплутониевых элементов — кюрия, берклия, а также изготовят из них мишени для проведения экспериментов по синтезу 119-го и 120-го элементов.
— Поделитесь, пожалуйста, основными результатами работы по всем четырем направлениям. Какими из них вы особенно гордитесь?
— Все поставленные на прошлый год задачи успешно выполнены. Отдельно хотелось бы отметить, во-первых, создание эскизного проекта ИЖСР. Он описывает облик всех основных систем будущего реактора. Это достаточно значимый шаг, далее следуют более детальные стадии разработки, включающие в себя, например, изготовление макетов отдельных систем, проведение экспериментов и т. д. Во-вторых, подобран коррозионно-стойкий материал, который будет использоваться в крупномасштабном жидкосолевом реакторе (он будет испытываться и для ИЖСР). Параметры этого материала по скорости коррозии не имеют аналогов в мире. В-третьих, разработаны материалы для перспективных реакторов ВВЭР.
Кроме того, активно развивается аддитивное направление: создаются принтеры, способные работать с порошковыми и проволочными материалами и даже с монокристаллическими прутками тугоплавких металлов. Аналогов таких установок в России нет. В прошлом году специалисты НИИ НПО «ЛУЧ» изготовили крупные узлы такой установки. Задача этого года — запустить установку и напечатать на ней первые изделия, доказав эффективность этой технологии.
— Какие организации задействованы в ФП-4 РТТН?
— В выполнении проекта задействованы около 40 организаций. Это не только отраслевые компании (их 17), но и порядка 10 академических институтов, а также несколько вузов. Такая кооперация компетенций дает нужный синергетический эффект и позволяет выполнять все поставленные цели.
— Как повлияли новые геополитические реалии на выполнение целей федерального проекта?
— Мы провели масштабную работу, в результате которой смогли заменить импортные критически важные компоненты и материалы на отечественные. Как говорится, нет худа без добра: наша промышленность собралась и смогла изготовить вполне конкурентоспособные аналоги.
— Программа РТТН изначально была рассчитана до 2024 года, затем ее продлили до 2030-го. Какие значимые результаты должны быть достигнуты по ФП-4 в следующем году?
— Действительно, в 2024 году мы подводим промежуточные итоги. Прежде всего, будут подобраны конструкционные топливные материалы для активной зоны новых реакторов, в том числе для быстрых натриевых и свинцовых реакторов.
Также мы ожидаем большой прорыв по направлению аддитивных технологий. Продемонстрируем линейку из восьми установок, некоторые из них не имеют аналогов в мире. Наша гордость — высокотемпературный принтер, работающий по технологии селективного лазерного плавления, который будет работать при температурах свыше 800 °C.
Кроме того, планируем подготовить обоснование инвестиций по исследовательскому жидкосолевому реактору, оценить его воздействие на окружающую среду. Это позволит нам двигаться в сторону получения лицензии на размещение объекта.
По направлению синтеза сверхтяжелых элементов намерены полностью разработать всю инфраструктуру и технологии для Фабрики сверхтяжелых элементов, чтобы в 2025–2030 годах приступить непосредственно к синтезу.
