proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2022 год
  Агентство  ПРоАтом. 25 лет с атомной отраслью!              
Навигация
· Главная
· Все темы сайта
· Каталог поставщиков
· Контакты
· Наш архив
· Обратная связь
· Опросы
· Поиск по сайту
· Продукты и расценки
· Самое популярное
· Ссылки
· Форум
Журнал
Журнал Атомная стратегия
Подписка на электронную версию
Журнал Атомная стратегия
Атомные Блоги





Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС
Вышло в свет второе издание двухтомника Б.И.Нигматулина. Подробнее
PRo Погоду

Сотрудничество
Редакция приглашает региональных представителей журнала «Атомная стратегия» и сайта proatom.ru. E-mail: pr@proatom.ru Савичев Владимир.
Время и Судьбы

[25/11/2021]     Материалы всему голова

Все достижения научно-технического прогресса в первую очередь связаны с разработкой новых материалов с заданными параметрами и характеристиками. Реализация самых изощренных конструкций, уникальных сверхидей невозможна без наличия соответствующих материалов. Достижения материаловедов во все времена находились на передовой научной мысли.



Основной задачей материаловедения является создание материалов нового поколения с комплексом свойств, отвечающих возрастающим требованиям по физико-химическим, механическим, эксплуатационным характеристикам. 

В феврале 2021 г. Правительство РФ утвердило паспорт комплексной программы «Развитие техники, технологий и научных исследований в области использования атомной энергии в РФ на период до 2024 г.» (РТТН). В августе эта программа была продлена до 2030 г. В РТТН вошли пять федеральных проектов: «Двухкомпонентная ядерная энергетика», «Экспериментально-стендовая база», «Термоядерные и плазменные технологии», «Новые материалы и технологии» и «Референтные энергоблоки атомных электростанций». 

Обновление технической базы атомной отрасли напрямую связано с внедрением перспективных материалов и новых технологий. Цель направления «Новые материалы и технологии» - обеспечить новыми материалами действующие и перспективные ядерные установки, для чего предстоит решить ряд задач:

- разработка материалов толерантного топлива для действующих реакторов типа ВВЭР;

- создание материалов для активных зон перспективных реакторов ВВЭР-С и ВВЭР-СКД;

- обоснование ресурса материалов, выбранных для создания референтных блоков АЭС малой мощности и разработка новых материалов, в частности аустенитных сталей, для удешевления малых АЭС;

- разработка материалов для исследовательского жидкосолевого реактора (ЖСР);

- разработка мелкокристаллического графита нового поколения для перспективных высокотемпературных газовых реакторов и отдельных деталей ЖСР;

- разработка методов 3D-печати тугоплавкими материалами и создание 4D-материалов для атомной энергетики.

Недостаточная радиационная стойкость конструкционных материалов ядерных установок – нержавеющих сталей и циркониевых сплавов - регламентирует уровень эксплуатации ядерных реакторов. Достижение высоких выгораний топлива ограничивается радиационной стойкостью материалов оболочек и чехлов тепловыделяющих сборок ТВС, а срок эксплуатации реакторов на тепловых нейтронах ограничивается ресурсом материалов корпусов и внутрикорпусных устройств. Облучение конструкционных материалов при температурах эксплуатации реакторов приводит к изменениям микроструктуры, механических свойств и внешних размеров [1]. Нейтронное облучение приводит к изменениям характеристик материалов: радиационному охрупчиванию; радиационной ползучести; радиационному распуханию; появлению наведенной активности. 

При разработке новых материалов главной задачей является достижение минимального или допустимого изменения этих характеристик с целью обеспечения требуемой надежности и долговечности элементов конструкции. 

Основными материалами для изготовления корпусов водо-водяных реакторов являются стали ферритоперлитного и ферритомартенситного классов. Нержавеющие стали и сплавы на основе никеля и хрома используются в качестве оболочек поглощающих элементов, пружинных элементов твэлов и ТВС и в отдельных случаях для дистанционирующих решеток ТВС. Для быстрых реакторов, работающих при более высоких температурах и энергонапряженности, используются жаропрочные холоднодеформированные аустенитные стали, хромистые ферритомартенситные стали, никелевые сплавы. Для первой стенки термоядерного реактора с гелиевым охлаждением основным материалом являются малоактивируемые хромистые стали, при охлаждении литием – сплавы ванадия, легированные титаном и хромом.


Разработки НПО «ЦНИИТМАШ»

Требования к спецсталям в атомной энергетике намного серьезнее, чем в других отраслях. Для реакторов ВВЭР‑1000 с большей мощностью и более высокими характеристиками прочности по сравнению с ВВЭР‑440 ранее применявшаяся специальная сталь 15Х2МФ (48ТС‑3–40) оказалась непригодной. Пришлось разрабатывать класс специальных сталей типа 15Х2НМФА. Они используются для производства корпусов реакторов АЭС-2006 и ВВЭР-ТОИ (фактический радиационный ресурс реакторной установки обеспечивается в течение 100 лет). Современная 15Х2НМФА отличается более низкими уровнями примесных элементов (фосфора, серы, меди), новыми технологиями выплавки, разливки, внепечной и термической обработки. Сталь композиции Cr-Mo-V марок 15Х2МФА и 15Х2МФА-А обладает наиболее высоким сопротивлением радиационному и тепловому охрупчиванию среди отечественных и зарубежных сталей такого же назначения, что определяет высокий запас эксплуатационной стабильности. 

Однако применение ее для толстостенных корпусных элементов реакторов большой мощности типа ВВЭР-1000 ограничено недостаточным уровнем прокаливаемости и прочности (Rp0.2 при 350 °С i 396 МПа). В связи с этим для реакторов ВВЭР-1000 была разработана сталь композиции Cr-Ni-Mo-V марок 15Х2НМФА (15Х2НМФА-А) с более высокой прокаливаемостью в толщинах до 650 мм и более высокими по сравнению со сталью 15Х2МФА (15Х2МФА-А) прочностными свойствами (при 350°С Rp0.2 > 441 МПа, Rm > 539 МПа) и высоким уровнем вязкости разрушения. Однако сталь марки 15Х2НМФА-А из-за большого содержания никеля (1,5%) уступает стали марки 15Х2МФА-А по радиационной стойкости и по чувствительности к тепловому охрупчиванию, хотя и не уступает по этим характеристикам зарубежным корпусным сталям композиций Mn-Ni-Mo (А-533, А-508 кл.З). Исследованиями было установлено отрицательное влияние никеля на радиационную стойкость. Поэтому для корпусов ВВЭР-1000, изготавливаемых начиная с 2000 года, максимальное содержание никеля в стали марки 15Х2НМФА-А, применяемой для обечаек активной зоны, подвергаемых интенсивному облучению, было снижено с 1,5% до 1,3%.

Новые составы для проекта ВВЭР, охлаждаемого водой сверхкритического давления (СКД), должны обеспечить равную прочность основного металла и сварного шва на корпусе реактора. Для проекта ВВЭР со спектральным регулированием (С) в «ЦНИИТМАШе» усовершенствовали сталь марки 15Х2НМФА. По результатам дореакторных испытаний эти материалы существенно превосходят не только применяемые сейчас корпусные стали, но и перспективные. Для материалов ВВЭР-СКД достигнута категория прочности 65+ при температуре 400 °C, для ВВЭР-С — ​55 при 350 °C. Разрабатываемые материалы позволят обеспечить перспективные проекты реакторов будущих поколений высоконадежными и высокоресурсными корпусами. 

В 2019 г. «ЦНИИТМАШ» запатентовал уникальную коррозионно-стойкую аустенитно-ферритную сталь 03Х23Н6М4Д3АБ-Ш с повышенными механическими свойствами и выносливостью в агрессивных средах, которая применяется в изготовлении элементов оборудования для опреснительных установок и трубопроводов морской воды, резервуаров для хранения, сосудов под давлением, теплообменников, оборудования подводного добычного комплекса. В том же году был запатентован радиационно стойкий чугун с шаровидным графитом, который применяется в литье контейнеров для хранения и транспортировки облученного ядерного топлива. 

Здесь же была разработана особо хладостойкая сталь типа 0Н6 (до 50 мм толщины в листовом прокате), применяемая в криогенных аппаратах, эксплуатируемых при –167 °C. 

В другой головной организации ГК «Росатом» по проблемам материаловедения - ВНИИНМ им. ак. А.А.Бочвара была разработана малоактивируемая жаропрочная радиационностойкая сталь ЭК-181 для деталей активных зон атомных реакторов на быстрых нейтронах и оборудования термоядерных реакторов. Техническим результатом изобретения стал более низкий уровень наведенной радиоактивности и более быстрый ее спад после нейтронной экспозиции при сохранении высокого уровня сопротивления охрупчиванию в интервале температур 270-400oС в условиях нейтронного облучения и высокого уровня жаропрочности вплоть до 650oС. 

Эта сталь по своим функциональным свойствам не уступает традиционным ферритно-мартенситным сталям с содержанием хрома около 12% и существенно превосходит зарубежные малоактивируемые ферритно-мартенситные стали (с содержанием хрома 8-9%). 

По сопротивлению радиационным эффектам аустенитные стали имеют преимущество при низких температурах, а ферритомартенситные – при высоких температурах облучения. Ферритомартенситные стали являются приоритетными материалами для оболочек и чехлов быстрых реакторов и первой стенки термоядерных реакторов. Аустенитные нержавеющие стали (АНС) широко используются в конструкциях активных зон ядерных реакторов. 

Инновационная реакторная установка ВВЭР-СКД имеет ряд более жесткий быстро-­резонансный спектр нейтронов, позволяющий оптимизировать расход природного урана. При этом предполагается отказ от использования циркониевых сплавов в пользу радиационно- и термически стойких сталей. Целый комплекс проблем связан с будущими конструкционными материалами активной зоны ВВЭР-СКД. Эти проблемы в первую очередь касаются корпуса, топлива и оболочек твэлов. Конструкционные материалы корпуса (стали 12Х18Н12Т, О8Х18Н12Т) были испытаны в потоке быстрых нейтронов при разработке и эксплуатации реакторов БР-10, БОР-60, БН-600, 800. Материалы оболочек твэлов ВВЭР СКД-30 предстоит выбрать на основании опыта эксплуатации оболочек твэлов БН-60, 350, 600. Вероятно, это будут хромоникелевые сплавы (17Cr, 13Ni, 2Mo).

 

Материалы для ЖСР

Тепловая мощность исследовательского жидкосолевого реактора 10 МВт. Основным конструкционным материалом для наиболее нагруженных элементов установки: корпуса, трубопровода, теплотехнического оборудования является сплав ХН80МТЮ, на 80 % состоящий из никеля. Его разработали специалисты Курчатовского института и «ЦНИИчермета». Выбран тип соли ​на основе фторидов лития и бериллия (FLiBe) «Флайб». Топливом реактора будут тетрафториды плутония и минорных актинидов, растворенные в FLiBe. 

Ученые исследовали коррозионные свойства взаимодействия топливной соли с этим материалом. Возможно, что по результатам НИОКР будут рассмотрены другие материалы и другие соли. Например, соль на основе фторидов лития, натрия и калия FliNaK «Флинак».  У FLiNaK растворимость делящихся материалов в ней выше. Но пока нет готового конструкционного материала, коррозионно-­устойчивого к расплаву фторидов лития, натрия и калия. FLiBe менее активна в отношении уже имеющихся материалов. Но FLiNaK остается как запасной вариант. Для него рассматриваются конструкционные кандидатные материалы: металлические НМ20В3-ВИ и ХН67М28-ВИ, и углеродные керамические: С-С КМ, а также спеченный карбид кремния SiC-C.

 

Материалы для аддитивных технологий

Дорожная карта «Технологии новых материалов и веществ» включает четыре продуктовых направления: аддитивные технологии, полимерные композиционные материалы, редкие и редкоземельные металлы, а также новые конструкционные и функциональные материалы и вещества. 

В ГК «Росатом» с помощью аддитивных технологий создают опытные образцы элементов атомных реакторов, таких как внутрикорпусные устройства и антидебризные фильтры. Производятся изделия из металлических сплавов, высокотемпературной керамики, полимерных композиционных материалов. В атомной энергетике в основном используются технологии печати металлическими порошками, как основным конструкционным и функциональным материалом. Разработкой технологий производства металлических порошков для 3D-печати в «Росатоме» занимаются «Гиредмет», ВНИИХТ, ВНИИНМ.

Кроме металлов в аддитивных технологиях используют также композиты и керамику.

В процессах селективного лазерного спекания применяют:

- однокомпонентные материалы – поликарбонат, нейлон, Fe, Ti и Cu;

- многокомпонентные и интерметаллидные системы (Ni, Al, Ti, W их карбиды и интерметаллиды, сплав INCOTEL 625, Ti – 6Al – V, Mo – Cu, Cu –Ni, Cu – Sn, Cu – Sn – Ni, Fe – Cu, бронза – Cu3P, WC – Co, TiC – Ni/Co/Mo, TiCN – Ni, TiB2 – Ni, ZrB2 – Cu, Fe3C – Fe);

- низко- и высоколегированные стали;

- конструкционную керамику (ZrO2, Al2O3, Al2O3 – Al4B2O9, Al2O3 – SiO2 – B2O3, Si3N4 – Al2O3, Ti – Zn – Al/ Al2O3, Ti+ZrO2, ZrO2 – Al2O3 – Al, ZrO2 – Al – Y2O3) и сегнетоэлектрическую (Pb(ZrxTi1-x)O3, Bi4Ti3O12, Li0,5Fe2,5-xCrxO4, BaFe12xCrxO19) ;

- керамопласты (Al2O3+полиметилметакрилат) и пьезопласты (ЦТС+PVDF).

Номенклатура металлических композиций имеет широкий спектр материалов на основе Ni и Co (CoCrMO, Inconel, NiCrMo), на основе Fe (инструментальные стали: 18Ni300, H13; нержавеющая сталь: 316L), на основе Ti (Ti6-4, CpTigr1) и на основе Al (AlSi10Mg, AlSi12).

Для изготовления изделий путем подачи металла в зону расплавления в АТ применяют жаропрочные никелевые сплавы: Inconel 718 [125, 169,204, 252], Inconel 625 и Waspaloy. 

В современном аддитивном производстве используется около двадцати протестированных материалов: инструментальные, нержавеющие, жаропрочные сплавы, алюминиевые и титановые сплавы, кобальт-хром и титан. 

Для получения металлических порошков на НПО «Центротех» разработана установка центробежного плазменного распыления производительностью до 150 кг/ч порошков из жаростойких никелевых сплавов и до 70 кг/ч порошков из титановых сплавов с размером гранул от 20 до 2500 мкм. А также создается установка для производства порошков металлов и их сплавов методом газового распыления расплавов мощностью до 20 т/год с размером фракции от 10–50 мкм. 

Изготовлением металлических порошков в отрасли занимаются Завод электрохимических преобразователей (дочернее предприятие УЭХК), ВНИИНМ, ЧМЗ, «Гиредмет» и ВНИИХТ. «Росатом» тесно сотрудничает с ВИАМом (Всероссийским научно-исследовательским институтом авиационных материалов), добившимся серьезных успехов в области получения металлопорошковых композиций. 

В рамках комплексного проекта с УЭХК «ЦНИИТМАШ» разрабатывает двухпорошковые аддитивные машины, что потребовало подбора совместимых материалов. Например, такие материалы, как диоксид кремния, а также титан не очень совместимы со сталью. 

Первоначально для аддитивных технологий применялись стандартные порошковые материалы: высоколегированные стали, никелевые, жаропрочные сплавы, титановые сплавы. Наиболее ценными для АТ порошками являются порошки сплавов  реактивных и тугоплавких металлов. Получен ряд опытных изделий из порошков чистых тантала, вольфрама, карбида вольфрама и молибдена высокой сферичности. Исследуются металлопорошковые композиции на основе никеля и кобальта, алюминия и титана. 

Работа ведется не только с металлами, но и с композиционными материалами

Перспективным направлением развития аддитивного производства является разработка реакционных композитных порошков – прекурсоров [4]. В качестве исходного материала для их создания используется смесь сравнительно легкоплавких компонентов, которые в процессе селективного спекания или плавления вступают в реакцию, образуя более тугоплавкое соединение. В качестве исходного материала использовались порошки титана, алюминия и никеля. 

Для ​аддитивных технологий потребуется создание 3D-печати тугоплавкими материалами. Начинается разработка 4D-материалов для атомной энергетики, детали из которых при более высокой температуре будут иметь форму, отличную от комнатной.

 

 Композиционные материалы

Атомная промышленность потребляет порядка трети от всего производимого в России углеволокна. Одна из областей его применения – производство газовых центрифуг. Ранее их производили из сплавов алюминия. Именно производство газовых центрифуг 30 лет назад востребовало развитие отрасли углекомпозитов. Ультрацентрифуги для разделения изотопов урана с числом оборотов более 100 тысяч в минуту могли быть изготовлены только из углепластика. Ковровский Механический завод, занимавшийся производством газовых центрифуг для обогащения урана, стал первым предприятием, где были применены композиционные материалы. Крайне перспективно применение углепластиковой арматуры для укрепления контейнмента. 

Полимерные углекомпозиты обладают экстремально высокой прочностью, сопротивлением усталости, модулем упругости, химической и коррозионной стойкостью, в разы превышающими показатели стали. В 2015 г. в эксплуатацию был введен завод «АЛАБУГА-ВОЛОКНО». В настоящее время завод выпускает углеродные волокна различных номиналов, от 3К (3000 элементарных волокон в жгуте) до 50К с прочностью до 4,9 ГПа и модулем упругости до 260 ГПа. Мощность производственной линии составляет 1,7 тыс. т углеродных волокон определенных номиналов в год. 

В ноябре т.г. на территории особой экономической зоны "Алабуга" введен в эксплуатацию завод по производству стратегического сырья для углеродного волокна - ПАН-прекурсора. Мощность нового завода составляет 5 тыс. т полиакрилонитрильного волокна в год. Это второй завод компании UMATEX - композитного дивизиона госкорпорации "Росатом" в ОЭЗ "Алабуга".  ПАН-прекурсор - основное сырье для изготовления углеродного волокна. Он формирует качество продукции на технологических переделах и влияет на стоимостные характеристики. С введением завода в эксплуатацию будут достигнуты показатели, аналогичные иностранным. 

В атомной отрасли композиционные материалы используются для строительства АЭС, в т.ч. сосудов высокого давления и композитных трубопроводов, для создания ветроустановок - композитных лопастей с углеродным ребром жесткости и композитов в кожухах гондолы. Баллоны, изготовленные из углеродного волокна, отличаются высокой прочностью и выдерживают давление в сотни атмосфер, при этом они в 3-4 раза легче металлических аналогов. 

Для формирования рынка композиционных материалов в России создана Управляющая компания – АО «НПК «Химпроминжиниринг» (UMATEX Group), объединившая научно-исследовательский центр и предприятия по производству высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и тканей на их основе.

 

Полимерные композиты в авиации и судостроении

Полимерные композиционные материалы находят применение не только в атомной отрасли, но и в авиации и судостроении. Одной из последних новинок стала разработка российского самолета МС-21 компанией «Иркут». 14 июля 2021 г. на заводе ПАО «Корпорация «Иркут» (ПАО «ОАК» ГК Ростех) была завершена стыковка левой консоли крыла к фюзеляжу самолета МС-21-300. Ранее были установлены центроплан и правая консоль крыла. Консоли крыла и центроплан изготовлены из полимерных композитов, разработанных при участии МГУ и предприятий «Росатома». 

Высокие прочностные характеристики, коррозионная стойкость и гидрофобность обусловливают применение композитов и в судостроении. Они позволяют снизить вес конструкций, то есть уменьшить расход топлива и увеличить маневренность судов. 

По мнению специалистов Крыловского ГНЦ, промысловые суда уже сегодня можно строить из композитов. Военные корабли уже строятся в России. Большие перспективы видятся для подводного судостроения. В ближайшее время выйдет в первый рейс гражданский катамаран пр. 23290, корпус которого изготовлен из композитных материалов. 

Композиты в судостроении создают следующие преимущества:

- совмещение силовых свойств с функциями теплозащиты и радиопоглощения;

- немагнитность и снижение инфракрасного поля корабля;

- снижение веса надстроек по сравнению с аналогами Al сплава на 10-15%;

- увеличение внутреннего полезного объема надстроек на 5-7%;

- повышение вибродемпфирующих свойств; малошумность;

- устойчивость к воздействию динамических нагрузок; 

- снижение массы.

По мнению профессора В.Н.Половинкина, к 2025 г. период монометаллов в подводном кораблестроении закончится. Либо это будут биметаллы, либо металлополимерные конструкции, либо композиционные материалы. Из композитов уже сейчас в Германии делают ограждения выдвижных устройств, части корпуса лодки, баллер (ось) руля, винты. Достоинства композитов не только в том, что они легкие и немагнитные. Их можно получать с заранее заданными свойствами, закладывая определенные характеристики. Кроме того, композиты позволяют создать "сэндвич-материалы" разной плотности и акустического сопротивления — так, что колебательная энергия будет циркулировать внутри конструкции, не выходя за ее пределы. «Подлодки-невидимки» из особых материалов станут реальностью.

 

Минералоподобные материалы для ядерной энергетики

В Нижегородском университете им. Н.И. Лобачевского реализуется проект «Перспективные минералоподобные материалы для ядерной энергетики» под руководством проф. Орловой А. И. 

Участники проекта исследуют новый подход к изоляции опасных компонент ВАО путем их «включения» в состав кристаллической решетки неорганических минералоподобных керамик, обладающих высокой структурной и фазовой стабильностью в условиях сверхдлительного воздействия гидротермальных, температурных факторов, радиационного облучения. Это позволит ускорить решение задачи безопасного хранения высокоактивных отходов от регенерации ОЯТ атомных станций, атомных реакторов подводных лодок и НИЦ, отходов от производства и переработки оружейного плутония. 

Такие материалы могут быть использованы в качестве конструкционных для атомной и космической техники нового поколения, реакторные установки которых нуждаются в огнеупорных керамических материалах, сохраняющих функциональные характеристики в жестких условиях эксплуатации (температуры свыше 900ºС, потоки нейтронов и др.). Разрабатываемые керамики обладают низким регулируемым коэффициентом теплового расширения, высокотемпературной устойчивостью, сопротивлением ползучести при высоких температурах, хорошей теплопроводностью, способностью выдерживать мощные потоки нейтронов, низкой эрозией в потоке гелия, устойчивостью в аварийных ситуациях, связанных с проникновением воздуха и/или воды. Рассматривается задача создания материалов для инертных топливных матриц для дожигания плутония, трансмутации минорактинидов и накопления продуктов деления с целью последующего захоронения. 

Для реакторов нового поколения предлагается новое композиционное топливо - композиционные материалы керамика-керамика (Cer-Cer) и керамика-металл (Cer-Met) на основе минерала граната - мелкозернистые композиты на основе граната Y2.5 Nd0.5 Al5O12 с добавками высокотеплопроводящих металлов (никель, молибден, вольфрам) и карбида кремния, обладающих малым сечением захвата нейтронов. 

Также была разработана керамика, способная защитить космические аппараты от воздействия высоких температур и радиации. Данные керамики на 20% легче и прочнее традиционных материалов, которые используются при создании защиты для спутников и других космических аппаратов.

 

Достижения коллег-разработчиков новых материалов

Обнинское научно-производственное предприятие «Технология» им. А.Г. Ромашина (ГК «Ростех») разработало в интересах предприятий атомной промышленности новый композиционный керамический материал на основе диоксида циркония. Термостойкая керамика, способная выдерживает термоудар до 2000°С, предназначена для изделий, эксплуатирующихся в условиях высоких температур. Основа композиции - диоксид циркония, обладающий уникальным комплексом свойств (высокой прочностью и твердостью, термостойкостью и ионной проводимостью, биологической инертностью и химической устойчивостью в расплавах металлов), был синтезирован из нанокристаллических порошков с добавками оксидов магния и кальция. 

Также были получены новые композиционные материалы на основе радиационно-стойких алюминиевых сплавов и радиационно-поглощающих высокодисперсных порошковых и наноразмерных материалов. Для изготовления объемно модифицированных образцов алюминий-матричных композитов использовали алюминиевые сплавы АМг6 и высокопрочный сплав В95. В качестве нейтронозащитного материала использовали высокодисперсные порошки карбида бора и нитрида бора. Для поглощения гамма и рентгеновского излучения композиты наполняли нановольфрамом. 

Во ФГУП «ВИАМ», с которым «Росатом» взаимодействует многие годы, разработаны высо­котемпературные металлические композици­онные материалы (МКМ) на основе туоплавких матриц из желе­за, никеля, молибдена, ниобия и технологии упрочнения МКМ дисперсными частицами и керамическими волокнами. Армирование тугоплавких матриц керами­ческими волокнами позволило разработать комплекс композиционных материалов, от­личающихся на 20÷30% меньшей удельной массой, на 10÷20% большей рабочей темпера­турой, в 1,5÷2,0 раза более высокими механи­ческими характеристиками и большей устой­чивостью к тепловому старению по сравнению с материалом матрицы. 

Эти материалы предназначены для примене­ния в теплонагруженных элементах конструкции, работающих в условиях высоких механических напряжений. 

А.В. Дуб, научный руководитель ПННТР «Новые материалы и технологии», уверен, что реализация специального пункта федерального проекта — методические работы позволит создать методику ускоренных испытаний для обеспечения более быстрой разработки материалов для атомной энергетики. Обновление технической базы в такой чувствительной отрасли как атомная энергетика невозможно без разработки и внедрения новых материалов и новейших технологий. Новыми материалами предстоит обеспечить перспективные реакторы ВВЭР-С и ВВЭР-СКД.  Для ВВЭР-СКД потребуется еще и новое топливо. Для классического ВВЭР продолжатся разработки материалов толерантного топлива, в том числе композитных оболочек и оболочек на основе карбида кремния. 

Для перспективных высокотемпературных газовых реакторов и отдельных деталей ЖСР необходима разработка мелкокристаллического графита нового поколения. В качестве теплоносителя в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах выступает гелий, способный работать при более высоких температурах, чем в водоохлаждаемых реакторах. Эта технология позволит «Росатому» создавать мощные ядерные установки для космических полетов. 

Задач перед материаловедами атомной отрасли стоит множество. Накопленный опыт и новейшие подходы, в том числе многоуровневое моделирование матери­ала на нано-, микро-, мезо- и макроуровнях, обеспе­чат реализацию принципа неразрывности «материал - технология - конструкция».

 

В обзоре использована информация сайтов: atomicexpert.com; atominfo.ru /news; Медиацентра ННГУ им.Н.И.Лобачевского; обзор материалов для 3D-печати В.Наумова

 

Дополнительные источники

1. В.Н. Воеводин, Конструкционные материалы ядерной энергетики , Ж.Вопросы атомной науки и техники №2, 2007

2. А.В. Дуб, В.Д. Рисованый, Разработка  новых материалов и задачи реакторного материаловедения,  Научная сессия «Наука для атомной энергетики» 2019

3. Непапушев А.А.; Бардасова К.В.; Московских Д.О., НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ «МИСиС»

 

Подготовила Т.А.Девятова

 

 
Связанные ссылки
· Больше про Материаловедение
· Новость от Proatom


Самая читаемая статья: Материаловедение:
Уран – главный металл атомной энергетики

Рейтинг статьи
Средняя оценка работы автора: 0
Ответов: 0

Проголосуйте, пожалуйста, за работу автора:

Отлично
Очень хорошо
Хорошо
Нормально
Плохо

опции

 Напечатать текущую страницу Напечатать текущую страницу

"Авторизация" | Создать Акаунт | 11 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 27/11/2021
А что с материалами для свинцовоохлаждаемых реакторов?


[ Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 27/11/2021
Недостаточная радиационная стойкость конструкционных материалов ядерных установок – нержавеющих сталей и циркониевых сплавов - регламентирует уровень эксплуатации ядерных реакторов. Достижение высоких выгораний топлива ограничивается радиационной стойкостью материалов оболочек и чехлов тепловыделяющих сборок ТВС, а срок эксплуатации реакторов на тепловых нейтронах ограничивается ресурсом материалов корпусов и внутрикорпусных устройств. ...
ДА, ЕСТЬ ОГРАНИЧЕНИЯ ПО РЕСУРСУ! ТОГДА ВОЗНИКАЕТ ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОПРОС!
Зачем тогда тратить огромные деньги на продление ресурса работы, например ядерного реактора, или физико-энергетической установки, если "овчинка выделки не стоит".
Потратили триллион рублей, а продлили ресурс, к примеру, на 10 %. Против природы не попрёшь!!! Вот и выходит, что нужны предварительные расчеты. Выгоды от ядерного реактора, который постоянно приходится ремонтировать, заменять кое-какое оборудование, нет и не будет. Будет только постоянная морока!!! Вы вот, например, не будете ремонтировать постоянно свою автомашину, как делали наши деды с "Москвичем 201 - 240" или с "Волгой". Сегодня выгодней купить новую автомашину, чем ремонтировать старую. Хотя это от любителя, некоторым авто нужна не как транспорт, а как игрушка, за которой ухаживают, и ей хвалятся, сдувая пушинки с капота. 
В реакторостроении такой подход не нужен. Нужны строгие экономические расчеты. Например, ВВЭР-ТОИ, ну очень дорогой реактор, а главное он может расплавиться. Для показухи, что АЭС с этим реактором безопасна, надели на 1-ый контур реактора и контайнмент, и под реактор поставили ловушку для расплава. АЭС вообще стала не окупаемой, так что, гендиректор ГК Росатом по совету своего советника публично заявил, что АЭС сможет работать 100 лет. Извините, столько не живут!!! 
ВЫВОД: если новый материал не дает как минимум 2-х увеличения срока службы, и при этом затраты на его создание не превышают, грубо говоря, половины выручки от продления срока эксплуатации энергоблока, то такую разработку надо закрывать сразу.Виноградов А.А.


[ Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 01/12/2021
1. Работы по повышению радиационной стойкостью материалов оболочек и чехлов тепловыделяющих сборок ТВС быстрого опытно-промышленного реактора БН-600 за 40-калетнюю его эксплуатацию привели к двух-трёх кратному увеличению ресурсных характеристик заменяемых сборок до предельных возможностей физики реактора и к необходимости изменения действующих проектов реакторных сборок с целью дальнейшего повышения выгорания топлива путём модернизации, варианты которой  установлены. По ресурсу его корпуса и незаменяемых внутрикорпусных устройств требуется продолжение эксплуатации до 45-ти и 60-ти лет. Такого опыта, кроме России, не имеет ни одна страна мира.2. С тепловыми корпусными реакторами ещё проще задачи. Во-первых для корпусов ВВЭРов разработаны методы восстановления служебных свойств их материалов. Остаётся задача повышения ресурса выемных сборок до предельных значений с одновременным достижением "нулевого дефекта твэлов", как это показано на БН-600.3. Поэтому для поддержания лидерства России в этих направления представляется совершенно правильным продолжать работы не только по совершенствованию известных конструкционных материалов, но и по созданию новых конструкционных, делящихся, замедляющих, тепло-носящих материалов с заданными свойствами.4. Естественно, эти работы следует выполнять в творческом содружестве с разработчиками реакторов, их производителями и эксплуатационщиками. Такой опыт наработан для БН-600, нарабатывается на БН-800 и несомненно будет полезен для будущих поколений энергоблоков. Конечно, если бы он ещё и был востребован в наше смутное время антиглобалистов, антикарбонистов и воспевающих водородно-зелёно-возобнавляющую биткоинскую энергетику.
5. Не следует сводить всё только к сиюминутным затратам и прибылям. Развитие науки и техники всегда было и будет затратным. Для прогресса, как известно, который нельзя остановить, эти затраты могут оказаться несравнимо меньше, чем прибыли для будущих поколений.
С уважением, патологоанатом ("из морга твэлов" по определению известного ДБ).   


[
Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 01/12/2021
  1.  Работы по повышению радиационной стойкостью материалов оболочек и чехлов тепловыделяющих сборок ТВС быстрого опытно-промышленного реактора БН-600 за 40-калетнюю его эксплуатацию привели к двух-трёх кратному увеличению ресурсных характеристик заменяемых сборок до предельных возможностей физики реактора и к необходимости изменения действующих проектов реакторных сборок с целью дальнейшего повышения выгорания топлива путём модернизации, варианты которой  установлены. По ресурсу его корпуса и незаменяемых внутрикорпусных устройств требуется продолжение эксплуатации до 45-ти и 60-ти лет. Такого опыта, кроме России, не имеет ни одна страна мира.
  2. С тепловыми корпусными реакторами ещё проще задачи. Во-первых для корпусов ВВЭРов разработаны методы восстановления служебных свойств их материалов. Остаётся задача повышения ресурса выемных сборок до предельных значений с одновременным достижением "нулевого дефекта твэлов", как это показано на БН-600.
  3. Поэтому для поддержания лидерства России в этих направления представляется совершенно правильным продолжать работы не только по совершенствованию известных конструкционных материалов, но и по созданию новых конструкционных, делящихся, замедляющих, тепло-носящих материалов с заданными свойствами.
  4. Естественно, эти работы следует выполнять в творческом содружестве с разработчиками реакторов, их производителями и эксплуатационщиками. Такой опыт наработан для БН-600, нарабатывается на БН-800 и несомненно будет полезен для будущих поколений энергоблоков. Конечно, если бы он ещё и был востребован в наше смутное время антиглобалистов, антикарбонистов и воспевающих водородно-зелёно-возобнавляющую биткоинскую энергетику.
  5. Не следует сводить всё только к сиюминутным затратам и прибылям. Развитие науки и техники всегда было и будет затратным. Для прогресса, как известно, который нельзя остановить, эти затраты могут оказаться несравнимо меньше, чем прибыли для будущих поколений. 
  6. С уважением, патологоанатом ("из морга твэлов" по определению известного ДБ).   


[
Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 01/12/2021
  • Нормальная анатомия и патология
  • В Свердловске, в Верх-Исетском районе, при областной больнице, в начале 1980-х, был музей медицины. Для студентов-технарей он не представлял никакого интереса, но я там побывал в 1982 году.  
  • Всё началось с виду безобидной игры в футбол на деревенском поле, когда у одного игрока были потеряны два зуба, а у другой получил сотрясение мозга и один из зубов остался под повязкой. Во время оказания медпомощи больной терял сознание, и приходилось приводить его в чувство.
  • Наш врач стройотряда, очень живописно рассказывала о своей учебе в Мединституте и о работе в интернатуре. Особенно зацепило всех парней заявление, что мужики при виде крови от небольшой царапины падают в обморок (пример был перед глазами), и поэтому большинство врачей женщины.
  • Среди зимы мы получили неожиданное предложение проверить свои способности «в медицине».
  • - Кто хочет проверить, может ли он быть врачом, предлагаю посетить музей анатомии и патологии. Я договорилась о времени, приезжайте в областную клинику.
  • В назначенное время мы прибыли в клинику, человек пять.
  • - С чего начнем, с простого или со сложного?
  • - Давайте по порядку. От простого к сложному.
  • Нам выдали халаты, чепчики и тапочки, и мы направились в зал нормальной анатомии (за название не ручаюсь, но так заполнилось). Там в банках с формалином находились образцы человека, начиная с небольшого зародыша, затем с отдельными органами, и заканчивая ваннами со взрослыми телами подобранных около вокзалов трупов, которые никто не забрал из морга.
  • Надо отметить, не зря Ольга предупреждала, что с непривычки будет трудно. Непроизвольная тошнота несколько раз накатывала, но в результате я смог справиться с ней. На посетителя действовал еще и запах формалина, который и без визуального сопровождения мог спровоцировать тошноту.
  • Когда первая часть испытания была пройдена, мы направились в зал патологии. Здесь были и сиамские близнецы, и двухголовые младенцы, и много всего такого, на что просто неприятно смотреть, не то что детально рассматривать.
  • - Вот это будни врача. Все нужно увидеть своими глазами, внимательно изучить, и уметь отличать нормальное от патологии. А теперь предлагаю выпить по чашечке чая в ординаторской, чтобы обсудить увиденное.  
  • Чай пить мы не стали. Хотелось на свежий воздух, снять с себя пропахшие формалином халаты и посмотреть на белый свет, белый снег, а не на желтые и коричневые образцы музейных экспонатов.
  • Напоследок нам предложили написать завещание, чтобы наше тело после смерти было использовано для медицинских целей, и возможно попало в музей. Например, на скелет, или какой-нибудь другой экспонат. За завещание платили 120 рублей, не малые деньги по тем временам.
  • В качестве медицинской шабашки предложили работу по изготовлению натурального человеческого скелета. После выварки нужно было аккуратно разобрать косточки и соединить их в правильной последовательности проволочками. 200 рублей за штуку.
  • Мы отказались от таких «легких денег».
  • Как оказалось, тест мы прошли на троечку. Главное в тесте было не потерять аппетит, и поучаствовать в обсуждении, вспоминая увиденное и запивая воспоминания чайком.
  • Дементий Башкиров


[
Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 01/12/2021
 
  • К сути заключения врача из морга твэл.
  • Материаловеды (НИИАР, ИРМ БАЭС) – это и врачи, изучающие нормальную анатомию ядерного топлива, и врачи-патологоанатомы, изучающие погибшие твэлы и ТВС.
  • Основное назначение исследований НИИАР – это эксперименты на отказ, до потери герметичности (газовой, йодной, цезиевой, плутониевой, кюриевой и т.д.). Зная обоснованный предел разрушения, изучив признаки «скорой смерти» твэл, врач делает заключение, что твэл будет жить ещё некоторое время, или уже находится «при смерти».
  • Работа по Прорыву заключалась в том, что нужно было выслушать мнение множества специалистов, в том числе и материаловедов НИИАР. Люди в основном старше, или намного старше меня, откровенно рассказывали о своей работе, о достижениях и промахах. Моя задача была оценить те достижения, которые произошли за 60 лет существования НИИАР.
  • Как таковая наука «реакторное материаловедение» появилась только с началом работ по быстрым реакторам. Ведь для военных целей нужны были просто ядерно-чистые материалы (задача химии и радиохимии), а для БР – радиационно-стойкие материалы (задача для материаловедения).
  • Кратко о достижениях со слов материаловедов НИИАР. Первая попавшаяся нержавейка (термин американцев), взятая для изготовления твэл БР, дала возможность достичь выгорания всего лишь 6,2%. Через 60 лет упорной работы мы обосновали безопасную эксплуатацию при выгорании 8,6%. Прогресс налицо. В 1,39 раза выросла топливная эффективность работы смешанного оксидного уран-плутониевого топлива.
  • - Как же так, - недоумевал я, - ведь ХТО НИИАР принадлежит рекорд выгорания отдельных твэл 32% или даже 34%, и 22%-24% для отдельных ТВС. Спустя 30 лет после этих достижений, вы продолжаете топтаться на старте? Откатились назад в 3 раза?
  • Как у участника работ по изготовлению вибротвэл из разных типов гранулята, у меня был ответ моих старших коллег, которые собственноручно получали гранулят на установках Фрегат, Жемчуг, Бусы и ЭХГ. Фрегат получал сферические гранулы с теоретической плотностью, Жемчуг и Бусы несколько менее плотные сферические гранулы, а ЭХГ получал «иглы» и «карандаши».
  • Рекордные выгорания были достигнуты на виброкомпозиции из сферического гранулята Фрегата. Благодаря мягкости насыпной композиции, она практически не создает давление на оболочку, при этом постоянно имеет тепловой контакт микросфера-стенка. Площадь теплового контакта сфера-сфера и сфера-оболочка выше, чем у игольчатого гранулята на порядок. Высокие температуры получения сфер гарантировали высокую очистку от галогенов, углерода, воды.  Время заполнения вибростолба составляло 3-5 секунд, при этом были минимальные механические нагрузки на оболочку. Сочетание таких свойств дает очень хороший результат, в 2-3 раза лучший, чем на грануляте из аппарата ЭХГ.
  • Высококвалифицированные «врачи» объясняли, что выгорание выгоранию рознь. Одно дело работать в потоке линейного энерговыделения 470 Вт/см, и совсем другое дело в потоке 330 Вт/см. Разница в ресурсе твэл многократная. При малых тепловых нагрузках твэл может работать 4 года, а при приближении к максимуму прогорает за 4 дня. (влияние температуры оболочки)
  • Одно дело работать с быстрыми нейтронами энергией 1-2 МэВ, другое дело с тепловыми нейтронами энергией 0,025 эВ. Разница энергий нейтронов 40-80 миллионов раз. Первые вышибают ядро атома железа на сотни ангстрем, и вбрасывают атомы оболочки в теплоноситель. Вторые просто отскакивают от ядра, как горох от стенки (влияние энергии нейтронов).
  • Всегда приводили пример с автомобилями. У одного владельца Волга Газ-21 пробегала 500 тысяч километров, а у другого не выдерживала и 10 тысяч километров пробега. Почему? Очень важно грамотно эксплуатировать технику, делать вовремя профилактику, не бросать сцепление и не давить на полный газ просто для удовольствия. (влияние прокладки между рулем и сиденьем).
  • Существует самый благо

    Прочитать остальные комментарии...


[
Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 02/12/2021
Всё или почти всё правильно излагаете, уважаемый, но можно намного короче, потому что из века в век материаловедов учили создавать всяческие материалы с заданными свойствами для обеспечения требуемого ресурса всякой всячины, начиная от человека и заканчивая самыми экстремальными машинами и приспособлениями. Патологоанатом.


[
Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 27/11/2021
"В ГК «Росатом» с помощью аддитивных технологий создают опытные образцы элементов атомных реакторов, таких как внутрикорпусные устройства и антидебризные фильтры"...............Так написано в статье выше. Хотелось бы узнать: зачем антидебризные фильтры ТВС делать какими-то аддитивными технологиями. Заранее спасибо всем...


[ Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 01/12/2021
Это - для того, как в своё время сказал один из конструкторов сборок быстрых реакторов, чтобы отлавливать "болты", летающие в ВВЭРах. Патологоанатом.


[
Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 02/12/2021
Про болты понятно. Не понятно причем тут аддитивные мультяшные технологии)))


[ Ответить на это ]


Re: Материалы всему голова (Всего: 0)
от Гость на 03/12/2021
По-видимому, для украшательства и удорожания прохождения творческого процесса. Так то этим разработкам не менее 20 лет, если не больше. Патологоанатом.


[
Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@proatom.ru, webmaster@proatom.ru. Разрешение на перепечатку.
За содержание публикуемых в журнале информационных и рекламных материалов ответственность несут авторы. Редакция предоставляет возможность высказаться по существу, однако имеет свое представление о проблемах, которое не всегда совпадает с мнением авторов Открытие страницы: 0.10 секунды
Рейтинг@Mail.ru