Алексей Дуб: Россия находится в тройке лидеров по новым материалам

Одним из важнейших трендов сегодня является работа над новыми материалами для ядерной энергетики, которые были бы стойкими к воздействию радиации и продолжали бы выполнять свои функции даже в самых экстремальных условиях – выдерживали бы и сверхвысокое давление, и запредельно низкие температуры. Именно такие задачи решают ученые в рамках федерального проекта "Разработка новых материалов и технологий для перспективных энергетических систем". Какие нагрузки будут способны выдержать материалы будущего? Есть ли границы у таблицы Менделеева?

Об этом и многом другом РИА Новости рассказал руководитель федерального проекта, первый заместитель генерального директора АО "Наука и инновации" профессор Алексей Дуб.

– Нам очень важно создавать новые материалы быстро, потому что только таким способом мы можем обеспечить преимущество. Просто получить образцы могут многие профильные лаборатории или университеты. Нам же важно, чтобы эти материалы были пригодны для применения в соответствующей конструкции. Поэтому мы их ориентируем на требуемые свойства. А еще лучше, если это будет комплекс свойств. Например, высокопрочные материалы однозначно облегчают конструкцию. Но, очевидно, что только прочность не является их единственным свойством. Важно, чтобы материал обладал радиационной устойчивостью, теплопроводностью. Мы не делаем материал как таковой. Мы сразу показываем изделие, в котором в наилучшем, оптимальном или максимальном сочетании комплекс свойств этого материала может быть проявлен. В этом случае страна получает преимущество по мере внедрения перспективных материалов в производство соответствующих изделий.

– Аддитивные технологии, прежде всего, обеспечивают скорость производства. Они мало весят, ведь благодаря аддитивным технологиям могут быть созданы не только сплошные изделия, но и с ячеистой структурой. Как в пористых шоколадках. Можно, имея сплошную поверхность, заполнение сделать ячеистым. Причем, ячейки тоже могут быть не одинаковы.

– Прежде всего, для энергетики. Аддитивные технологии позволяют быстро и качественно изготовить не только насосы и лопатки, но и турбины, двигатели, эффективные теплообменники. И, конечно, в транспорте.

– Да. При этом мы получаем очень высокую эффективность, значительно большую экономичность производства деталей. Так, если нам нужны изделия большого размера из особых, а, следовательно, дорогих материалов, то, следуя классической технологии производства, мы получим и высокий уровень отходов. И сами изделия, следовательно, получаются дорогими. Аддитивные же технологии позволяют достаточно экономно получать изделия, изготовление которых по трудозатратам с классической технологией не сравнить.

– Они очень интересны медикам. Аддитивные технологии можно использовать для изготовления медицинских имплантов, чья структура аналогична костным тканям. Раньше их делали на основе стали, но можно использовать куда более дешевые и прочные материалы. Необходимая для производства масса получается значительно меньше, чем в случае использования традиционных материалов, а характеристики становятся кратно выше. Под каждого пациента на основе данных МРТ или КТ можно делать индивидуальное изделие. И пациент будет восстанавливаться значительно быстрее.

Интерес проявляет и авиакосмосмическая отрасль, где вес имеет очень большое значение. Вообще – любой транспорт. Представьте, что вы куда-то поехали, а машина сломалась. А в обстановке, где невозможно производить заводские детали, аддитивные технологии позволяют быстро изготовить замену сломавшимся.

– …И сделали то, что вам нужно. Совершенно верно!

– На сегодняшний день мы ведем более десяти проектов. Диапазон размеров – широкий, начиная от нескольких миллиметров и заканчивая размерами больше 2,5 метров.

– Сверхтяжелых элементов в природе не существует. Последний, 118-й, элемент называется оганесон – в честь его первооткрывателя, академика Юрия Цолаковича Оганесяна, который выдвинул гипотезу о том, что за 120-ми, еще не открытыми, элементами начинается так называемая "зона стабильности". Эти элементы будут иметь большее время существования. Соответственно, мы должны синтезировать и подтвердить наличие 119-го и 120-го элемента, нащупать дорогу, по которой идти дальше. Это, наверное, передний край в изучении того, как вообще элементы формируются, в том числе в природе, в звездах.

– Совсем нет. В алхимии целью было получение благородных металлов из неблагородных. Трансмутация – это получение элементов в результате ядерных реакций, в том числе за счет распада тяжелого элемента на более легкие. А мы производим целенаправленное воздействие, сталкивая тяжелые ядра, и за счет точно рассчитанного энергетического взаимодействия получаем еще тяжелый элемент.

– Это путь. Собственно, весь замкнутый цикл создания сверхтяжелых элементов у нас будет в Российской Федерации. И в этом отношении мы будем лет на двадцать всех опережать.

– До недавнего времени мишенный материал для синтеза сверхтяжелых элементов мы получали из США. Сейчас исходные компоненты для мишеней нам делает Научно-исследовательский институт атомных реакторов в Димитровграде (ГНЦ НИИАР, входит в научный дивизион Росатома), ускорители поступают из Сарова, и потом все это будет монтироваться в Дубне, что позволяет назвать весь процесс абсолютно российским.

– Принцип работы жидкосолевых реакторов (ЖСР) был открыт довольно давно. Основная проблема состояла в том, что ЖСР качественно отличается от любого другого ядерного реактора. В обычной установке, как известно, должно быть несколько границ раздела между радиоактивными материалами и окружающей средой. Это и оболочка самого топливного элемента – твэла, потом оболочка корпуса реактора, потом оболочка контаймента (пассивной системы безопасности). То есть, как минимум, три степени защиты. А в жидкосолевом реакторе радиоактивное топливо содержится прямо внутри теплоносителя. И фактически радиоактивная реакция распада протекает прямо внутри корпуса реактора и внутри теплообменника.

Но возникает проблема. Поскольку жидкая соль имеет очень большую реакционную способность (работая при температуре 600-700 градусов), очень немногие материалы способны противостоять коррозионным процессам. И поэтому необходимо было найти материалы, которые будут обладать ресурсом, обеспечивающим безопасность такого реактора с тем, чтобы жидкосолевой расплав не попал в окружающую среду. Основная задача ЖСР – растворить в жидкой соли минорные актиниды, которые всегда образуются при сгорании топлива, обладают очень высокой активностью и длительным циклом распада. И поэтому наша задача, с одной стороны, сократить их объемы, а с другой стороны – перевести их в менее опасный класс отходов, чтобы не потребовалось глубинное захоронение. Чтобы сроки радиоактивного распада с тысяч (и даже сотен тысяч) лет могли быть снижены до сотен лет.

– К тому же, с точки зрения геологического развития это – совершенно подконтрольный процесс. У нас сейчас корпуса реакторов рассчитаны на сто лет. А жидкосолевые реакторы позволяют свести оборот радиоактивных материалов до уровня так называемой "радиационной эквивалентности". То есть, сколько радиоактивности мы из природы берем, столько же мы и захораниваем. При этом жидкосолевые реакторы позволяют не только производить замыкание цикла в рамках двухкомпонентной ядерной энергетики, но еще и переработать накопленные за предыдущее время радиоактивные отходы. И, кроме того, получить тепловую и электрическую энергию.

– Мы планируем запустить исследовательский реактор к концу 20-х годов. В этом десятилетии.

– Китайцы начали работы в этом направлении раньше нас. Американцы тоже интересуются. В свое время такой реактор начали возводить в Оук-Ридже (США), и они же его остановили из-за процессов коррозии. Сейчас, тем не менее, американцы заново запустили эту программу. Это направление считает перспективным и Билл Гейтс, поскольку температура ЖСР в два раза больше традиционных водо-водяных энергетических реактор (ВВЭР), а следовательно, растет и энергоэффективность.

– Эта база уже в какой-то степени есть. Сейчас человечество, образно выражаясь, смотрит вглубь и ввысь – на области действительно очень высоких давлений, а также супернизких и сверхвысоких температур. В общем, экстремальных состояний (к которым относятся и резкие перепады этих состояний). Поэтому мы должны создать методики, которые позволят адекватно спрогнозировать ресурс материалов, которые могут попасть в такие состояния. Например, сжиженные газы. Это же экстремальное состояние.

С другой стороны, сейчас космические и авиационные двигатели (в том числе, для гражданской авиации) развивают сверхзвуковые скорости. И это требует понимания поведения всех этих изделий при очень высокой нагрузке. То же самое касается и водородной энергетики. Нам надо проверять обоснование ресурса материалов в подобного рода условиях. Понятно, что естественным образом испытывать материалы – это и очень дорого, и очень долго. Поэтому мы работаем над методиками, позволяющими спрогнозировать и испытать материалы в лабораторных условиях. Сейчас мы вместе с целым рядом организаций работаем над созданием такой базы свойств материалов, которая должна стать основой в работе конструкторов.

– Статичной базы не будет никогда. Появляются те данные, которые востребованы на сегодняшний момент. Но мы работаем над тем, чтобы на перспективу получить набор характеристик, который позволит конструкторам двигаться дальше, а не ждать, когда появятся необходимые материалы. Поэтому мы должны работать очень быстро.

– Эта работа, с одной стороны, абсолютно закрыта, но, с другой стороны, есть точное понимание, кто из ученых на каком уровне находится. С Америкой, например, мы всегда находились в "творческом" соревновании. Сейчас в это соревнование влились китайцы. И в создании такой базы мы теперь, скорее, соревнуемся уже с КНР. В общем, мы находимся в тройке лидеров.

– Космос, водородная энергетика, криогеника, термояд. И мы получим понимание поведения вещества в глубоких недрах как звезд, так и Земли. На основании нашей научной работы мы придём к решениям по сверхбыстрым перелетам и обеспечению наших спутниковых систем. Космические программы для Луны и Марса двигаются вперед тоже благодаря таким материалам. И, конечно, это надежность и безопасность наших традиционных энергетических реакторов.