Материализуя будущее
Основные направления работы ученых-материаловедов «Росатома»
Материаловедение часто называют основой развития технологий в самых разных отраслях промышленности. Алексей Дуб, первый заместитель директора частного учреждения «Наука и инновации» (входит в «Росатом»), научный руководитель направления «Материалы и технологии» госкорпорации «Росатом», профессор, доктор технических наук, рассказал «Вестнику атомпрома» о том, какие перспективы открывает создание новых материалов с заданными свойствами, в каких направлениях ведутся исследования в интересах атомной и других отраслей и как должно строиться взаимодействие современной науки и производства.
— Алексей Владимирович, расскажите, каковы основные направления работы в области материаловедения и какие новые возможности для этого открываются сегодня.
— Вопросы материаловедения объективно являются базисом для развития атомной и ряда других индустрий — конвенциональной энергетики, транспортного машиностроения, двигателестроения, производства станков и инструментов и так далее. В нашей работе по материаловедению есть два больших направления.
Первое направление — точное изучение структуры материала, вплоть до энергетического взаимодействия атомов друг с другом. Мы должны обеспечивать стабильность структуры материала на всех масштабных уровнях, начиная от субмикроструктуры. Именно в этом нам помогут возможности мегасайенс-установки «СКИФ» (Сибирский кольцевой источник фотонов), строительство которой завершилось в августе этого года.
Мы ожидаем, что СКИФ позволит рассмотреть атомную структуру не только в статическом положении, как обеспечивали электронные микроскопы, но и в динамике, под внешним воздействием. Стабильность, устойчивость системы — это ее способность возвращаться в исходное энергетическое состояние благодаря внутренней энергии. Есть классический пример с шариком, который замер на вершине, — это неустойчивое равновесие, достаточно толчка, чтобы он скатился. Устойчивое равновесие — это шарик внутри лунки, когда отклонение приводит к стабилизации, возвращению на дно и в покой. Если энергетическое взаимодействие между компонентами вещества приводит к стабилизации после внешнего воздействия, значит, мы нашли нужный нам материал. Если происходит дестабилизация — ищем дальше.
Увидеть атомную структуру в динамике и при воздействиях нам помогут исследовательские станции, которые будут запущены на СКИФ в ближайшее время. Мы совместно с председателем НТС № 5 «Замыкающая стадия ядерного топливного цикла» академиком Степаном Калмыковым выразили консолидированную позицию, что нам нужна станция, где будет осуществляться исследование радиационных воздействий. В инфраструктуре СКИФ такое воздействие не предполагалось, но мы рассчитываем, что в обозримой перспективе эта возможность будет обеспечена. Нам нужно видеть, как ведут себя материалы, в том числе при прямом радиационном воздействии, а также уже прошедшие радиационные испытания, так называемые «теплые» образцы с остаточной радиоактивностью.
Уже начато формирование программы таких исследований и ведется ее обоснование, поскольку синхротронные исследования дорогостоящие, и мы должны точно показать, с чем не можем справиться традиционными методами. Планируем использовать возможности синхротрона для вопросов замыкания топливного цикла и поиска нужных композиций: поиск пройдет быстрее, если мы сможем глубоко заглянуть в структуру.
Второе направление — это отработка технологий производства. Мало задать химический состав и физическую композицию материала. Мы должны понимать, какая технология будет стабильно приводить к получению конечного изделия со стабильным качеством. Напомню, что один и тот же углерод в зависимости от связей между атомами будет либо алмазом, либо простым углем. Мы должны исследовать, как технологические процессы и фазовые переходы могут влиять на структуру и какова возможность управления этими процессами.
Поэтому исследование поведения материала и возможности управления его структурой в процессе фазовых переходов, особенно самого важного для нас, из расплавленного состояния в твердое, является очень важным. При неуправляемой кристаллизации мы можем получить неоднородную структуру в затвердевшем материале, когда выделяются фазы, в которых одни компоненты присутствуют в большем количестве, другие — в меньшем, в том числе могут концентрироваться и радиоактивные или активируемые материалы. Мы получаем неоднородный материал, который и поведет себя неоднородно, вплоть до того, что в нем могут накопиться элементы, приводящие к растрескиванию или к чрезмерному тепловыделению при эксплуатации. Для отработки технологий нам тоже будут нужны возможности и установки, которые позволят проследить за протеканием процессов на атомном уровне, в нужном масштабе времени и отработать управление этими процессами.
— Дает ли этот поиск какие-либо практические возможности для других отраслей за пределами атомной промышленности?
— Приведенный выше пример — технологическая задача по управлению процессами формирования твердой фазы, чтобы она была однородной, — актуален для многих индустрий. В том числе это важнейший, определяющий аспект для 3D-печати ответственных элементов. Освоение и масштабирование аддитивных технологий несет огромные изменения для целого ряда отраслей.
Есть экономический показатель — коэффициент расхода материала. Из исходного количества материала, большого слитка, можно дизъюнктивно, то есть убирая лишнее, получить Венеру Милосскую или деталь сложной конфигурации. Из 90-тонного слитка нержавеющей стали у нас получается лишь 20 тонн ажурных внутрикорпусных устройств атомного реактора: выход годного чуть больше 20%. Чем сложнее материал, тем сложнее с ним работать, а коэффициент выхода годного для самых сложных материалов стремится к минимальным значениям. Поэтому мы должны разрабатывать технологии, позволяющие довести выход годного до экономически приемлемых показателей. В этом помогут аддитивные и другие технологии — например, не вытачивать, а выдавливать сложную по конфигурации деталь на большом прессе за одну технологическую операцию.
Еще один пример. Автомобиль «Нива» полвека назад имел двигатель 76 л. с., за долгие годы этот показатель вырос до 90 л. с. Но при том же объеме и габаритах двигатель Honda имеет порядка 200 л. с., потому что были использованы другие материалы в цилиндрах, поршнях, клапанах, во всех теплоотводящих элементах. В подобных случаях, когда необходим переход на новые, более дорогостоящие материалы, уже невозможно использовать традиционную «отсекающую» технологию: экономически массовое производство так не выстроить. Поэтому мы должны создавать, по сути, цифровую технологию, когда процессом управляет не человек, а автоматизированная система, это существенно уменьшает случайности. Потому что мы не можем допустить, чтобы порошок, волокно, связующие или температура, при которой они расплавляются и спекаются, отклонялись от заданных пределов из-за человеческого фактора.
Если вернуться к материалам атомной отрасли: цирконий, который нужен нам для оболочки твэлов, может иметь примеси, неоднородную микроструктуру. Нам необходимо добиться такой идеальной структуры, которая обеспечит наилучшую его работу в реакторе в обычных и экстремальных ситуациях. Точно так же стабилизированные оксиды циркония для термобарьерных покрытий турбинных лопаток или зубных коронок, имплантатов в костях должны быть изначально такой морфологии, чтобы не возникало сомнений: не появится трещина, не начнутся электрохимические реакции, материал будет абсолютно инертен к воздействию физиологических факторов.
Поэтому нами в интересах «Росатома» и не только проводится очень большая работа по получению такого чистого оксида циркония нужной морфологии. Его получение — многостадийный процесс. Когда начинаешь управлять процессом в масштабе 10 нм при 3D-печати или напылении, то в конечном счете материал получается тот, который ты хочешь, а не случайный, из которого раньше мы с запасом вырезали изделие. Тогда нам каждый раз не нужен будет искусный станочник уровня Микеланджело или уникальное месторождение, где в руде нет вредных или ненужных примесей.
— Работа над такими сверхчистыми материалами была всегда свойственна атомной отрасли?
— Атомная отрасль изначально задавала очень длинные эксплуатационные ресурсы, и получение максимально качественного/устойчивого материала было условием реализации проектов. Вспомним сверхчистый графит на старте атомного проекта. Но нам ближе другой пример. Когда создавались первые блоки ВВЭР, стало понятно, что ресурс зависит от качества металла. Впервые в атомной энергетике ресурс для станций на основе ВВЭР-1000 был рассчитан на 30 лет (и это считалось большим сроком).
Курчатовский институт определил, что примеси фосфора, серы, меди отрицательно влияют на прочностные характеристики стали и их влияние надо исключить. Ученые и технологи ЦНИИТМАШ (головной материаловедческой организации атомной отрасли), ЦНИИ конструкционных материалов «Прометей», ОКБ «Гидропресс», Ижорского завода сумели при непосредственном контроле и участии президента АН СССР Анатолия Александрова создать технологию производства стали нужной чистоты в требуемых объемах. И это была совсем не рядовая задача, в том числе для этого по всему Советскому Союзу искали шихту, чтобы выплавить такой металл: в одном месте нужного количества чистых исходных компонентов не было. И первый блок-тысячник, запущенный в 1980-м на Нововоронежской АЭС, работает и сегодня.
Прошло несколько десятилетий наблюдений за металлом реакторных корпусов, и исследователи начали намного лучше разбираться в его поведении. Работы начала XXI века привели к появлению так называемых наноструктурированных сталей, у которых характеристики определяются фазовыми нанокомпонентами. (За эту работу коллектив ученых вместе с Алексеем Дубом получил в 2013 году Государственную премию РФ в области науки и технологий. — Примеч. ред.) От загрязнений, которые традиционно были причиной нарушений микроструктуры, удалось гарантированно избавиться за счет развития технологий рафинирования. Благодаря этому были обеспечены и обоснованы гарантированные 60+ лет эксплуатации корпуса и других незаменяемых устройств, и теперь такой срок и такие материалы — стандарт для атомной энергетики.
Это очень весомый вклад и в отрасль, и в целом в народное хозяйство. Сталь, которая работает 60 лет в условиях радиации, вполне может работать и в других условиях. Например, трубопроводные системы России были модернизированы в результате того, что материаловеды атомной отрасли еще в 1990-е годы получили задачу и занялись поиском материалов для трубопроводов, способных выдерживать 50-летний срок эксплуатации, в том числе в сейсмических условиях, и обосновали этот вопрос. Подобные возможности могут быть использованы и для других высокотехнологичных изделий, например высокотемпературных турбин, поршневых и реактивных двигателей, редукторов.
Но важно не «ставить в очередь» решение материаловедческих и производственных вопросов. При управлении процессами на наноуровне работа с материалом и создание технологии должны идти параллельно и одновременно. Бывает, что предприятие приобретает оборудование, например аддитивное, но оно работает не так, как ожидали: решались другие задачи, с другими материалами. Во всех подобных случаях требуется симбиоз — параллельный одновременный анализ и технологии, и материала.
Раз уж мы опять коснулись аддитивных технологий, добавлю, что они родственны сварочным технологиям. Развивая 3D-печать металлом и занимаясь вопросами качества, мы в том числе разработали программно-аппаратный комплекс для управления аддитивными процессами с обратной связью. Эти знания мы можем вернуть назад в сварку, особенно в лазерную. Это уже не только точечная приварка тонких деталей, но и возможности изготовления корпусов для перспективных быстрых реакторов. Там пригодятся наши компетенции и в управлении лазерным лучом, что позволяет управлять энергоподачей и тепловыми процессами (что является определяющим аспектом). На структуру металла сварного соединения влияют и ультразвуковые колебания, которые возникают, когда лазерное излучение проходит через жидкую — расплавленную — среду. Это не только стабилизирует систему и снимает напряжение, но и приводит к упорядочению расположения атомов.
— Какие направления исследований обещают долгосрочные экономические эффекты для ядерной энергетики, например такой, как создание суперсверхкритического ВВЭР с принципиально иным КПД?
— Практический опыт работы ЦНИИТМАШ для традиционной энергетики с суперсверхкритикой (температуры выше 620–630 °С) в 2005–2015 годах привел к выявлению механизмов наноупрочнения. Оно отличается от классического тем, что является и зернограничным, и внутризеренным. Эти механизмы связаны с процессами, происходящими в границах зерен и внутри объема зерен при деформации или термической обработке. За счет этого удалось поднять минимум на 30 °С, а в предельных случаях и на 50 °С температуру работы горячего тракта турбин — трубопроводов острого пара. Это огромный скачок.
Из последних разработок: мы смогли применить механизм наноупрочнения при решении актуальных задач по созданию перспективного ядерного топлива: используя так называемые дисперсно-упрочненные оксидами материалы для оболочек, прежде всего быстрых реакторов направления «Прорыв», мы можем поднять температуру их эксплуатации до 750 °C. Наличие равномерно распределенных частиц с дисперсностью менее 25 нм обеспечивает стабильную структуру материала нужное время. Такая оболочка сохранит целостность в период всей топливной кампании.
— Насколько мы близки к созданию керамических композитов, позволяющих на порядок улучшить свойства ядерного топлива?
— Такая керамика уже не сугубо поисковая научная проблема, а текущая задача, которая перешла в разряд инженерных, и теперь необходимо восстановить производство качественных исходных компонентов. Например, нужный нам мономер моносилан (тетрагидрид кремния) на российском рынке отсутствует. Мы решаем вопрос о создании производства для получения нужного его количества в приемлемых экономических параметрах. Моментально такую задачу не решить, но проект продвигается. Мы понимаем суть технологии, а также факторы, влияющие на стабильность получаемых изделий.
— Какие наработки ученых «Росатома» могут использоваться для производства турбин, особенно больших паровых, 1 ГВт и выше?
— Создание таких паровых турбин для меня вопрос совершенно не банальный и даже досадный, потому что сегодня в возрождении этого направления в России доминирует подход, что это сугубо производственная задача. Парадигма «не мешайте производству работать», на мой взгляд, глубоко ошибочна, и результат может разочаровать.
В ходе недавнего форума «Технопром» я поинтересовался у представителя нижегородского Института прикладной физики: почему ИПФ и ИЯФ (Институт ядерной физики) успешно лидируют в мире по созданию таких высокотехнологичных устройств, как, например, гиротроны для разогрева термоядерной плазмы? Собеседник ответил ожидаемо: потому что производство и разработчики связаны в единое целое, между ними нет разрыва. Для развития высоких технологий нужно не допускать разрывов и преодолеть те, что есть на сегодняшний момент.
Ученые научились действовать в интересах производственных задач, и сегодня единственный выход для высокотехнологичной промышленности — научиться сотрудничать с учеными в процессе отработки технологий и поддержания постоянного их уровня.
— То есть наука, и не только прикладная, вместо разработки теорий уже полностью готова прийти в цех и в практику производства?
— Как сказал кто-то из великих, «нет ничего практичнее хорошей теории». Мы разрабатываем теории, которые станут практическими, хотя в настоящее время они могут выглядеть извне как абстрактные поиски. Например, мы ищем 119-й и 120-й химические элементы, для этого реализован ряд решений на фабрике сверхтяжелых элементов ОИЯИ в Дубне, у Юрия Оганесяна. Ученые «Росатома» принимают активное участие в этой работе. 118-й элемент, оганесон, закрывает, с одной стороны, седьмой период таблицы Менделеева, с другой — группу так называемых благородных (инертных) газов. Но является ли сам 118-й элемент инертным газом? Сможем ли мы открывать новые элементы далее или закроем таблицу Менделеева в ее классическом понимании? Потому что лишний электрон, который должен появиться в 119-м элементе, приведет к тому, что мы от инертного газа перейдем к созданию активного материала, подобного щелочным — францию, натрию, калию. 119-й элемент, если он возможен, — как он будет себя вести? Пока практического применения этим знаниям нет.
С другой стороны, в практическую плоскость перешел вопрос, как будет вести себя элемент № 96, кюрий, который мы планируем использовать как топливо в жидкосолевом реакторе (ЖСР). Мы рассчитываем, что ЖСР сможет работать без плутония, только на распаде кюрия. Если это подтвердится, то мы не будем захоранивать кюрий на тысячу лет и еще получим 600 МВт энергии. Это уже будет ощутимый успех от наших разработок. Хотя еще несколько лет назад кюрий не рассматривался как полезный элемент. На мой взгляд, исследовательский жидкосолевой реактор уже можно считать прообразом компонента замкнутой ядерной энергетики. Также предстоит технологическое освоение задач проекта «Прорыв», результаты проявятся в ближайшие десятилетия.
Все, что, как кажется, не приносит значимой экономической отдачи в ближайшие годы, становится базой — технологической и материаловедческой — для будущих разработок. Это позволит реализовать концепции не только ЗЯТЦ, но и высокотемпературных реакторов, управляемого термоядерного синтеза. И тут нам важен запрос от конструкторов смежных отраслей. Если они захотят воспользоваться нашими материалами, может быть, даже раньше ядерной энергетики, то смогут использовать наши находки в целом спектре индустрий: от добычи и транспортировки нефти и газа до двигателей, летательных аппаратов, материалов подводных, арктических, космических кораблей.
— Складываются ли контакты такого рода с технологическими компаниями и корпорациями?
— К нам регулярно обращаются разные предприятия. В рамках национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии», который охватывает энергетику в целом, поменялась парадигма: если раньше достаточно было просто представить разработки, то теперь мы должны довести их до уровня промышленного освоения. Сегодня и внутри «Росатома», и в связке с нашими партнерами, которые занимаются авиационно-космической техникой, судостроением и так далее, мы в рамках нацпроекта решаем задачи создания производственных установок. С НИИТФА, например, занимаемся организацией микрометаллургического производства, чтобы создавать сложные сплавы не на основе железа. Они нужны, к примеру, для ИЖСР и не только. Никелевые сплавы обладают более высокой термостойкостью, мы сможем распространить их на ВТГР и так далее — это подъем рабочих температур до 1000 °С. Также для нас актуально развитие тугоплавких материалов: в НИИ НПО «ЛУЧ» мы создаем производство изделий под температуру более 1500 °С — они пригодятся для космических двигателей, газовых турбин.
Еще одно направление — магнитные материалы. Например, для высокоскоростных поездов, которыми мы в ближайшие несколько лет начнем пользоваться, нужны эффективные магниты. Мы работаем не только с составом магнитов как таковых, а исследуем структуру магнитного поля. Улучшая и совершенствуя его для изделий железнодорожного машиностроения, мы рассчитываем применить эти наработки в электромобиле.
— Где у вас есть возможности применения новых информационных технологий, таких как искусственный интеллект?
— В ближайшее время будет реализован проект под названием «Автоматизированный синтез», который объединит две компоненты. Первая — искусственный интеллект, помогающий определить необходимые характеристики материала. Вторая — это система синтеза, которая будет создавать вещество на основании предложений ИИ. Мы сможем получать в сутки до 10 рабочих образцов материала — это очень быстро. Образцы будем испытывать по новым, ускоренным методикам, а результаты снова загружать для обработки ИИ. Уже в этом году такая система появится у нас в научно-исследовательском институте в Подольске, со следующего года системно начнем на ней исследовать базовые композиции: это нержавейка, титановые, высоколегированные материалы, высокоэнтропийные сплавы, сплавы на основе тугоплавких материалов. Это будет не перебор, а целенаправленный поиск с корректировкой на основе сходимости расчетов и результатов.
— Где вы видите дефицит в аспекте кадрового обеспечения и как с ним бороться, включая вопрос утечки мозгов?
— Мы много занимаемся этим вопросом. Еще в пору руководства ЦНИИТМАШ пришлось создавать лаборатории заново, и я знаю, что нужно решить триединую задачу. Первая составляющая: должен быть лидер, который обладает качествами пассионария, способен убедить людей, что они занимаются великим или хотя бы очень перспективным делом. Вторая составляющая: как завкафедрой МИСИС знаю, что студентов очень привлекает перспектива и конкретной работы, и высокой квалификации, которая позволит реализовать себя в разных сферах. Третья составляющая: нужно предложить прикладную сферу, где молодой ученый сможет увидеть осязаемые результаты своего труда. Не в литературе, а в конкретных деталях, узлах, машинах.
