proatom.ru - сайт агентства ПРоАтом
Журналы Атомная стратегия 2024 год
  Агентство  ПРоАтом. 28 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





PRo IT
Подписка
Подписку остановить невозможно! Подробнее...
Задать вопрос
Наши партнеры
PRo-движение
АНОНС

Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». 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

[03/07/2024]     Зачем атомщикам композиты

С момента создания в атомной отрасли развивались технологии, которые невозможно было импортировать. Атомщики создавали собственные компетенции как в атомной энергетике, так и за ее пределами. Здесь сконцентрированы наукоемкие производства, обладающие необходимыми знаниями, производственными возможностями и кадрами [1].

 



Отраслевые организации «Росатома» развивают судостроение, водородную энергетику, оборудование для СПГ и нефтедобычи, накопители энергии, новые цифровые продукты, АСУ технологическими процессами, ядерную медицину, новые материалы, аддитивные технологии и другие проекты. «Формирование системы управления новыми бизнесами начато еще в 2012 г. наряду с вовлечением организаций ЯОК в гражданские проекты атомной отрасли. Перечень направлений корпорации в части новых бизнесов закреплен в 16 стратегических программах и 66 продуктовых стратегиях и бизнес-инициативах. Выручка по этим направлениям бизнеса по итогам 2023 г. превысила 1 трлн рублей» (Д. Байдаров, директор департамента поддержки новых бизнесов «Росатома»). Взаимодействие дивизионов позволило по итогам 2023 г. достичь доли высокотехнологичной гражданской продукции в общем объеме производства организаций ОПК атомной отрасли в 52%. К 2030 г. планируется выйти на показатели 65–70%. 

Одним из «нестандартных» проектов госкорпорации является создание новых материалов. Атомной промышленности нужны композиты. «С 2016 г. в рамках отдельного дивизиона «Росатома» начала разворачиваться композитная отрасль. На тот момент соотношение импортных компонентов и российских было 80 к 20. С тех пор выручка компонентного дивизиона «Росатома» выросла в 15 раз, удалось добиться 100-процентого импортозамещения. Создание собственной линейки композитных материалов стало одним из основных достижений госкорпорации за последнюю пятилетку» (Алексей Лихачев) [2].

 Потребность в собственном производстве композитных материалов возникла в 2018 г., когда США отказались поставлять материалы. Тогда же в Елабуге оперативно построили завод, который перерабатывает российскую нефть в углеволокно. АО «ЮМАТЕКС» был присвоен статус управляющей компании дивизиона «Композитные материалы» ГК «Росатом». 
В том же 2018 г. ГК «Росатом» создал Межрегиональный кластер «Композиты без границ» для содействия развитию российской отрасли композитных материалов [3]. В него вошли производители сырья (нити, волокна, аппреты, связующее), производители полуфабрикатов (ткани и препреги) и готовых изделий из композитов (для всех отраслей), вузы, технопарки, ОЭЗ. МРК создан с целью формирования рынка композиционных материалов в России. Объединяет научно-исследовательский центр и предприятия по производству высокопрочных и высокомодульных углеродных волокон и тканей на их основе.  Всего 5 регионов, 6 инфраструктурных площадок, 7 вузов, 27 промышленных компаний. Совместно с Umatex и ведущими вузами России кластер «Композиты без границ» разрабатывает обучающие программы по направлению ПКМ.

Гендиректор Umatex А. Тюнин уверен, что композиты будут использовать на всех предприятиях отрасли [4]. Углеродное волокно Umatex уже используется ​при изготовлении газовых центрифуг для ТВЭЛ, композитных кожухов ​для ветрогенераторов. При строительстве АЭС будут востребованы композитные шпунты и системы внешнего армирования, а также композитные дорожные покрытия.  ​С РАСУ планируется применение электрических проводов с композитным сердечником и композитных опор ЛЭП. Ученые топливного дивизиона работают над созданием оболочек для твэлов из композитных материалов.

В 1970-х гг. СССР входил в тройку лидеров по производству и потреблению композитных материалов. Углеродное волокно использовалось в специальных применениях и для производства центрифуг при обогащении урана для топлива АЭС [5]. В конце 2000-х гг. «Росатом» взял под свое крыло два композитных предприятия: челябинский Завод углеродных и композиционных материалов и балаковский «Аргон», сохранил их компетенции, чтобы гарантированно обеспечивать собственные потребности и государственный заказ. В 2016 г. был сформирован самостоятельный дивизион, в который вошел запущенный в 2015 г. завод «Алабуга-Волокно» по производству углеволокна в Татарстане. В 2021 г. Umatex в ОЭЗ «Алабуга» ввел в эксплуатацию ПАН-завод по производству ПАН-прекурсора - сырья для получения углеродного волокна.

На конец 2024 г. запланировано открытие производства композитных ветролопастей длиной 50 м в Ульяновске. В Umatex начали разрабатывать композитные баллоны для транспортировки водорода. В стратегии ГК «Росатом» прописана задача к 2029-2030 гг. войти в топ мировых производителей композитных материалов. На сегодняшний день стратегические отрасли РФ на 100% обеспечены отечественными углеволоконными материалами.

Около трети всего производимого в России углеволокна потребляет сама атомная промышленность [6], в том числе для производства газовых центрифуг поколения 9+ [7].  Из композитов изготавливают роторы, выдерживающие вращение до 750 м/с лучших мартенситно-­стареющих сталей — 498 м/с). Также композиты используются при строительстве атомных станций для создания контейнмента, предотвращающего выход радиоактивных веществ в окружающую среду при тяжёлых авариях.

Благодаря большой долговечности и устойчивости, способности выдерживать значительные перепады температуры, противостоять коррозии и химическим воздействиям, композиты обеспечивают значительно более долгий срок службы, чем традиционные материалы.

Современные композиты применяются в возобновляемой энергетике (лопасти ветроустановок, солнечные панели), в строительстве современных атомных электростанций, в транспорте – авиа (новейший среднемагистральный пассажирский лайнер МС-21 на 30% углекомпозитный), в водном транспорте, скоростных поездах, электрокарах, в производстве более прочных баллонов для газомоторного транспорта. В порту Корсаков на Сахалине планируется создание верфи по выпуску композитных рыболовных, пассажирских и грузовых малоразмерных судов.

В строительной отрасли композиты применяются для систем внешнего армирования при модернизации и капитальном ремонте зданий и сооружений, создания цельных пешеходных мостов. Композитные шпунты используются для берегоукрепления, ограждения загрязненных территорий.

Керамоматричные композиционные материалы (КМК) с SiC-матрицей, являясь радиационно-стойкими высокотемпературными материалами, позволяют обеспечить повышение надёжности и эффективности работы атомных электростанций [8]. Благодаря высокой трещиностойкости, стабильности термомеханических и химических характеристик в широком диапазоне температур, низкому распуханию при облучении в области высоких температур, низкой наведенной активности и быстрому ее уменьшению со временем наиболее перспективными для использования в конструкциях ядерных реакторов являются композиты SiCf/SiC. Рабочие температуры эксплуатации такого КМК более 14000С.

SiCf/SiC имеют низкие показатели вспучивания под действием нейтронного излучения – на порядок и более, чем у альтернативного углерод-углеродного композиционного материала.

Композиты по сравнению с Cf/SiC SiCf/SiC характеризуются существенно более низкой скоростью эрозии при использовании КМК в качестве конструкционного материала первого контура реактора. Другой областью применения КМК является силовая оболочка из этого материала для   ТВЭЛов,

Для хранения и размещения ядерного топлива предлагается вариант оболочки, состоящий из металлического корпуса из сплава циркалой-4 с наружной силовой и теплостойкой оболочкой из КМК SiCf/SiC. Эти же конструкторские решения могут применяться для получения элементов тепловыделяющих сборок, труб контура теплоносителя, стержней регулирования. Из КМК могут формоваться резьбовые соединения для создания различного рода развязок для подачи охлаждающих компонентов. Также КМК могут применяться в качестве антифрикционных материалов в подшипниках насосного оборудования для ядерных реакторов.

Разработки «Росатома» в области композитов

В настоящий момент в контур Композитного дивизиона входит 29 компаний и 16 производств в 15 регионах России.

• Специалисты ВНИИЭФ изучили целесообразность применения композитных материалов для защитных оболочек АЭС [9]. Основным материалом для защитной оболочки АЭС служит железобетон, в том числе с предварительным натяжением арматуры. Для крупногабаритных оболочечных конструкций наиболее предпочтительными оказываются композиты на основе стекловолокна — стеклопластики. Учитывая отношение удельной прочности стеклопластиков к аналогичным параметрам реакторной стали, составляющее = 15-30, отсутствие сильных масштабных эффектов, технологию, обеспечивающую отсутствие крупных дефектов из-за таких дестабилизирующих воздействий, как сварка, длительное постоянство свойств при климатических воздействиях и воздействиях агрессивных сред, стойкость к нейтронному воздействию говорят о перспективности применения КМ в реакторостроении, несмотря на их более высокой удельной стоимости.

 

• В АО «НИИграфит» разработали новый углеволокнит, который относится к композитам типа ЭПАН. Материал может использоваться в производстве изделий для атомной и нефтегазовой отрасли, автомобильной, авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах и при высоких температурах. ЭПАН-3Б производится из отечественного сырья, что позволяет сократить стоимость и повысить качество пресс-волокнита [10]. ЭПАН используется для изготовления рабочих колес центробежных насосов и лопаток компрессоров, работающих в агрессивных средах. Также волокнит может применяться в качестве абляционного теплозащитного материала в изделиях, работающих при высоких температурах и в обтекающем потоке горячего газа.
Потребность рынка в углеволокните типа ЭПАН составляет 60 тонн в год. К 2024 г. НИИграфит планирует выйти на ежегодный объем 10 тонн.

- Также в институте запустили производство нескольких новых композитных материалов [10а].  К новому поколению КМ относятся термопластичные ленты трех видов армирования: армированные стекловолокном, базальтовым волокном и углеродным волокном. Благодаря устойчивости к высоким температурам;  повышенному сроку эксплуатации; легкости, крепости и жесткости изделий из ТПЛ; пригодности для вторичного использования и ремонта, такие ленты востребованы в нефтегазовой и атомной отраслях, строительстве, авиастроении и других областях промышленности. Лента послойно наплавляется на специальном оборудовании, формируя изделия любой формы и размера.

• Основные разработки материалов для атомной отрасли производятся в АО «Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. ак. А. А. Бочвара» (ВНИИНМ) [11а].

Для повышения стойкости оболочек ТВЭЛов и увеличению глубины выгорания ядерного топлива в активной зоне разрабатываются феррито-мартенситные радиационно-стойкие, упрочненные оксидами иттрия нанометрового размера (ДУО-стали). Технология предусматривает получение быстрозакаленных порошков стали методом центробежного распыления расплава, твердофазное легирование оксидами иттрия в аттриторе, компактирование порошков и термомеханическую обработку для создания в матрице стали выделений оксидов иттрия нанометрового масштаба. Полученные таким образом ДУО-стали имеют более чем 10-кратное увеличение жаропрочности по сравнению со сталью, изготовленной по штатной технологии.

- Новую модификацию композитного ядерного топлива — дисперсионный топливный сердечник запатентовали специалисты АО «ВНИИНМ» [11б]. Композиционный материал состоит из частиц урана, распределенных в металлической матрице. Дисперсионные твэлы имеют высокую теплопроводность топливной матрицы, и существенно более низкий температурный уровень сердечника и перепада температур, что позволяет успешно эксплуатировать топливо в маневренных режимах. Твэлы обладают равномерно распределенной пористостью для компенсации распухания топлива при облучении. Оксиды плутония, добавленные в новый топливный композит, позволяют топливу одновременно выступать в качестве активной зоны и зоны воспроизводства. Данные свойства топлива позволяют использовать его и в тепловых реакторах, и в реакторах на быстрых нейтронах с замыканием топливного цикла.

Применение композитов, сочетающих лучшие качества металлического и керамического топлива, и представляющих одновременно активную зону и зону воспроизводства, дают   возможность последующего механического разделения делящихся изотопов без химической переработки топлива (Л. Карпюк, ген. директор АО «ВНИИНМ»).

Для повышения устойчивости топлива к проектным авариям в институте разработали технологию нанесения защитного покрытия на циркониевые оболочки тепловыделяющих элементов, а также технологию изготовления газонепроницаемых труб-оболочек на основе карбида кремния [11]. В рамках создания толерантного топлива в ТВЭЛ осваивают производство четырех вариантов инновационных твэлов из разных материалов. Но только оболочки из карбида кремния позволяют не просто минимизировать риски, а полностью исключить пароциркониевую реакцию. С карбидокремниевыми твэлами отпадает необходимость в некоторых системах безопасности и  строительство атомного блока станет дешевле. Они также могут увеличить эффективность реакторов за счет повышения выгорания топлива и продолжительности топливной кампании.

АО "ВНИИНМ" возглавляет отраслевой проект по созданию оболочек тепловыделяющих элементов из композитного материала на основе карбида кремния. На промплощадке АО «ВНИИНМ» создан опытно-производственный участок по производству и исследованию трубчатых изделий на основе SiC/SiC-композитов. 

Из карбидокремниевого волокна плетется каркас, который пропитывают матричным материалом на основе того же карбида кремния, потом наносят защитные покрытия. Было изготовлено 55 образцов 11 типов газонепроницаемых труб-оболочек длиной до 500 мм с разной архитектурой плетения, способами уплотнения каркаса, режимами осаждения карбидокремниевой матрицы и интерфазного слоя.

В июне 2023 г. в НИИ атомных реакторов завершился первый цикл их облучения в исследовательском реакторе БОР-60. Испытания проходили при температуре до 360 °C. К 2030 г. планируется сделать оптимизированные герметичные газонепроницаемые оболочки твэлов длиной до 1 м и провести комплекс дореакторных испытаний, проверить совместимость с ядерным топливом.

• Научно-исследовательский центр Композитного дивизиона разрабатывает технологии получения среднемодульных и высокомодульных углеродных волокон. В 2023 г. были получены первые образцы прочностью 7 ГПа (самое распространенное в мире волокно Т700 имеет прочность 4,9 Гпа). Оно позволит еще больше облегчать конструкции.

Объединяя компетенции

В созданный в 2018 г. по инициативе Композитного дивизиона «Росатома» Межрегиональный промышленный кластер «Композиты без границ» вошли: 7 регионов; 7 инфраструктурных площадок; 9 вузов; 51 промышленная компания [12]. В Саратовской области участниками промышленной деятельности композитного кластера стали ООО «Композит Волокно» (Саратов), ООО «Аргон» (Балаково) и Балаковский инженерно-технологический институт. В работе кластера принимают также участие опорные вузы - Тульский государственный университет, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева (КНИТУ-КАИ), Казанский Федеральный Университет, Казанский Государственный Архитектурно-строительный Университет, Университет «Дубна», Технологический университет МО, РХТУ им. Д.И. Менделеева. На базе Ульяновского государственного технического университета создается инжиниринговый образовательный центр изучения композитных материалов. НИТУ МИСИС начинает обучение созданию новых композитных материалов. Подобные программы уже реализуются в МГТУ «СТАНКИН» и в Московском Политехе.

В программы входит разработка углерод-углеродных композитов, суперконденсаторов и полимер-композитных материалов на основе термопластичных матриц из новых инженерных полимеров.

Для объединения компетенций в области композитных материалов и конструкций МГУ им. М.В. Ломоносова, МГТУ им. Н.Э. Баумана и КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева организовали Межвузовский объединенный инжиниринговый центр, приоритетным направлением которого станет разработка композиционных материалов для аэрокосмической отрасли и ОПК, медицины и различных отраслей промышленности [14]. МГУ им. М.В. Ломоносова вошел в Московский композитный кластер. 

Композитный дивизион «Росатома» является головным исполнителем Комплексной научно-технической программы «Новые композиционные материалы: технологии конструирования и производства». В реализацию программы задействованы также высшие учебные заведения и институты академии наук [13]. 

• Ученые НИТУ «МИСиС» создали уникальный композиционный материал для эксплуатации в жестких температурных условиях [15]. Для атомных реакторов на быстрых нейтронах необходимы новые конструкционные материалы, так как сталь, используемая для оболочек тепловыделяющих элементов, становится не способной выдерживать т нагрев в 550-700°С.

Специалисты лаборатории «Гибридные наноструктурные материалы» НИТУ «МИСиС» предложили способ повышения прочности и температурной стабильности композиционного материала, путем интенсивной пластической деформации под высоким давлением. В результате была создана структура материала из слоев стали с ванадиевым сплавом посередине (руководитель исследования, с.н.с., к.т.н., С. Рогачев). После кручения под высоким давлением прочность наноструктурного «сэндвича» выросла в три раза по сравнению с прочностью каждого из отдельных компонентов. Конечный материал оказался способен выдерживать нагрев до 700°С.

- Исследователи из НИТУ «МИСиС» разработали новые материалы на базе гафния, циркония, углерода и азота, которые могут применяться в качестве основы для тепловой защиты космических аппаратов, а также стать одним из компонентов матричного ядерного топлива [15а]. Новые гафний-циркониевые карбонитриды, разработанные группой химиков и материаловедов под руководством директора НИЦ «Конструкционные керамические материалы» НИТУ «МИСиС» Д. Московских, представляют собой более стойкую к окислению альтернативу широко применяемым в промышленности карбидам циркония и гафния.

Эти соединения отличаются температурой плавления порядка 3500оС, высокой теплопроводностью, ударной вязкостью и прочностью. Однако при этом они обладают сравнительно невысокой окислительной стойкостью при высоких температурах, что снижает их практическую применимость в химически агрессивных средах. Этот недостаток карбидов циркония и гафния можно ликвидировать, добавив в материал азот. Окислительная стойкость материалов выросла при температурах выше 1200оС, что было связано с образованием плотных оксидных прослоек, мешавших кислороду проникать вглубь карбонитрида циркония и гафния. После завершения тестов на радиационную стойкость данный материал станет альтернативой для карбида кремния при производстве ядерного топлива.

• Ученые НИЯУ МИФИ в составе международного коллектива провели работу по исследованию сталей, дисперсно-упрочненных оксидами (ДУО) [16]. Исследователи установили, что оксидные добавки стабилизируют сталь и существенно повышают температуру эксплуатации и радиационную стабильность материала. Наивысшие эксплуатационные свойства демонстрируют наноструктурированные стали с оксидными образование в единицы нанометров (проф. С. Рогожкин). Комплексное исследование наноструктурированных ДУО сталей методами малоуглового рассеяния нейтронов, просвечивающей электронной микроскопии и атомно-зондовой томографии позволило определить тип наноразмерных частиц, их размеры и количество в разных ДУО материалах. Полученные результаты помогут создать более совершенные материалы для применения в экстремальных условиях перспективных реакторов.

- Доцент кафедры физики конденсированных сред Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ К. Катин (совместно с учеными из Республиканского университета Сиваса (Турция) создал новый композитный материал для очистки жидких радиоактивных отходов [16а]. Созданный адсорбент на основе экологически безопасного природного материала поможет извлекать из таких отходов уран, присутствующий в виде иона уранила UO2. Методом полимеризации в водном растворе был получили композит на основе вермикулита и полиакриламида, который по своим характеристикам превосходит известные адсорбенты. Его адсорбционная емкость по отношению к уранилу достигает 0.38 моль/кг.

- На 20-й м-н Школе-конференции им. Б.А. Калина «Новые материалы. Перспективные технологии получения и методы исследования» 2022 НИЯУ МИФИ [16б] были представлены доклады, посвященные новым КМ:

- Чернявский (ИМЕТ РАН; НИЯУ МИФИ) Синтез нитридной керамики на основе твердых растворов Zr-U И Zr-Nb 16-15,

- Д.А. Абин (НИЯУ МИФИ, НИЦ КИ-ИТЭФ) Влияние облучения ионами железа на критические характеристики ВТСП композитов 13-30,

- Н.С. Попов (НИЯУ МИФИ; Ин-т гидродинамики СО РАН; НГТУ (Новосибирск) Получение композитных материалов на основе кристаллического титана и аморфного сплава методом магнитно-импульсной сварки 17-40.

• Исследованием перспектив применения новых устойчивых к радиации композитов занимается лаборатория нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) [23]. В 2017 г. ОИЯИ закупил у ООО “ИЦ “Пластмасс Групп“ стержневые заготовки из инженерного пластика ZEDEX. Эти композиты были использованы в производстве транспортных и упаковочных контейнеров для радиоактивных материалов. Все образцы были испытаны на стойкость и стабильность характеристик в условиях радиоактивного излучения и были рекомендованы ОИЯИ для применения в нейтронографии.

Инженерные пластики серии ZEDEX также предлагается использовать для изготовления фланцевых элементов контейнеров, в которых содержится гексафторид урана. Сочетание радиационной стойкости и высокого уровня физико-механических характеристик позволяет увеличить ресурс этих элементов.

• Для решения проблем с запасами плутония и трансурановых элементов (МА, minor actinides) необходимо создание высокоплотных керамических композиционных инертных топливных матриц (IMF) для дожигания плутония и трансмутации MA. Исследователи Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского применили способ получения композиционных материалов керамика-керамика и керамика-металл на основе минералоподобных соединений на основе граната [17]. Но основным их недостатком является их низкая теплопроводность и малая трещиностойкость.

Керамическая или металлическая вторая фаза в этих композитах может обеспечить повышение теплопроводности и повышение трещиностойкости (Л. Головкина, ННГУ).

Под руководством д.х.н. Альбины Орловой были разработаны мелкозернистые композиты на основе граната Y2.5Nd0.5Al5O12 с добавками высокотеплопроводящих металлов (никель, молибден, вольфрам) и карбида кремния, обладающих малым сечением захвата нейтронов. Для спекания порошков и получения керамик использовался метод высокоскоростного электроимпульсного плазменного спекания.

В результате были получены керамические композиты «гранат-металл» и «гранат-карбид кремния» с высокой относительной плотностью 92-99% от теоретической величины для композитов «гранат-металл» и 98-99% для композитов «гранат-SiC», что позволило обеспечить высокую твердость и трещиностойкость композитов, а также высокие теплофизические свойства (теплопроводность в интервале температур, близком к температуре в реакторах на быстрых нейтронах). Исследование радиационной стабильности и стойкости к термоударам новых композитов позволит решить задачу иммобилизации высокоактивных компонент радиоактивных отходов. 

- Лаборатория композиционных и керамических материалов НГТУ [18] занимается разработкой композиционных и керамических материалов для транспортных средств и конструкций, работающих в условиях Арктики, анализирует возможности замены традиционных конструкционных материалов композиционными материалами с учетом уровней напряжений и условий эксплуатации, определяет оптимальные параметры микроструктуры композиционных и керамических материалов, работающих в экстремальных условиях Арктики, разрабатывает ТЗ и конструкторскую документацию на элементы машин, выполненных из композиционных или керамических материалов.

- Специалисты Передовой инженерной школы атомного машиностроения и систем высокой плотности энергии НГТУ [19] занимаются созданием новых жаропрочных композитных материалов на никелевой основе с оксидным нанодисперсным упрочнением (ДУО/ODS) для конструктивных элементов реакторов, разрабатывают композитные материалы для конструктивных элементов реакторов типа ВТГР.

Новый способ синтеза высокопрочных композитов на основе MAX-фаз для авиакосмической отрасли и атомной энергетики разработали ученые Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) [20]. Они синтезировали композиты на основе MAX-фаз из смесей доступных отечественных порошков с применением комбинированного метода синтеза. Сначала исходные компоненты - порошки титана, кремния и углерода подвергли предварительной термообработке в вакуумной печи. На втором этапе синтеза ученые применили технологию искрового плазменного спекания, характеризующегося высокой скоростью консолидации порошков тугоплавких соединений.

Справка: MAX-фазы - чередование интерметаллидных MA и карбидных или нитридных MX слоев, где M ― переходный металл; A ― элемент A-подгруппы Периодической системы Д. И. Менделеева; X ― углерод или азот.

- Специалисты ТПУ разрабатывают научные основы создания композиционных материалов, устойчивых к водородным и радиационным повреждениям. Композиты предполагается создавать на основе наноразмерных металлических многослойных систем (НМС) цирконий/ниобий (ZrNb) [20а].

Исследуется влияние облучения протонами и ионами гелия на НМС, как меняются свойства и структурно-фазовое состояние многослойного покрытия с чередующимися слоями ниобия и циркония при накоплении водорода. Граница раздела между этими слоями —структура специфическая. Материал обладает свойством самовосстановления. Образующиеся в границе раздела дефекты аннигилируют. Стояла задача — подтвердить этот эффект экспериментально. В итоге будут разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров нанесения наноразмерных металлических слоев Zr/Nb для создания водородо- и радиационно-стойких композиционных материалов. 

- На Международной научно-технической молодежной конференции «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения» ТПУ 2023 [20б] были представлены доклады, посвященные проблемам материаловедения в области КМ:

- Исследование влияния низкомодульных включений гексагонального нитрида бора в высокомодульной матрице карбида циркония на структуру и свойства композитов ZrC/h-BN (Грушковская А. Н.)

- Анализ вязкости разрушения композиционных материалов на основе карбонизованных полимерных матриц (Игнатьев С.Д.)

- Структурно-фазовое состояние и свойства композитов на основе многокомпонентной керамики (Zr,Hf,Nb,Ti)C (Наруцкая А. С.)

Аспирант Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова Соколенко И.В. [21] разработал технологию получения высокопрочного, термо- и радиационно-стойкого армированного нановолокнами конструкционного полимерного композиционного материала, обладающего высоким сечением захвата к нейтронному и гамма-излучению. Композиционный материал защиты формировался послойно. На каждый защитный злой наноармированного полимерного композита наносился гамма-защитный слой тяжелых элементов толщиной от 20 до 1000 нм. В результате было получено значительное увеличении эффективности и снижении массы радиационной защиты бортового оборудования и пилотных отсеков космических аппаратов с ЯЭУ. При плотности материала 2,1 – 2,4 г/cм3 эквивалентная защита от гамма-излучения с энергией 2,5 МэВ по свинцу составит 1,5, а эквивалентная защита от быстрых нейтронов по гидриду лития составит 1,3. Это позволяет как минимум в 3 раза снизить массу комплексной защиты космической ЯЭУ.

• Поиском вариантов создания новых материалов комплексной радиационной защиты занимаются и ученые НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ [22]. Заведующий ОЭНС ОНИ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ к.ф.-м.н. В. Тарнавич предложил в качестве базы для таких материалов использовать многослойные радиационно-защитные материалы. Его работа называется «Разработка и исследование композитных материалов с повышенными характеристиками по радиационной защите». Применение борсодержащих композитов взамен резины и полиэтилена может существенно снизить массу и габариты радиационной защиты.

• Ученые ВолгГТУ предложили технологию создания слоистых металло-интерметаллидных композиционных материалов с применением сварки взрывом [24]. Такие материалы состоят из множества чередующихся, различных по свойствам слоев и могут быть использованы в энергетических установках, криогенном и теплообменном оборудовании в качестве теплозащитных барьеров, износостойких покрытий, жаропрочных и жаростойких материалов.

Интерметаллиды – химические соединения из двух или более металлов, занимающие промежуточное место между металлами и керамиками. Они сохраняют свою структуру и прочность при высоких температурах, имеют относительно низкую плотность, но довольно хрупкие. Для устранения этого недостатка специалисты Волгоградского государственного технического университета предложили создать композиционные материалы, состоящие из матрицы и распределенного в ней упрочняющего компонента. 

• Специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера (ИЯФ СО РАН) совместно с коллективами других научных организаций испытывают карбид бора в качестве покрытия для стенок токамака Международного экспериментального термоядерного реактора (ИТЭР) [25]. Горение плазмы во время термоядерной реакции происходит при экстремально высоких температурах. Стоит задача найти такое вещество, которое сможет выдержать эти условия и не повлиять на плазму.

Найти материал для первой стенки, который отвечал бы всем требованиям, очень сложно. Нужны термостойкие и одновременно лёгкие материалы, обладающие высокой теплопроводностью и электропроводностью, например, специальные виды керамики.

Карбид бора очень прочное вещество, обладающее неплохой теплопроводностью, аналогично бериллию лёгкий, и при попадании в плазму не вызывает её быстрого остывания. Пороговые значения нагрузок, при которых керамика начинает разрушаться, не уступают вольфраму. Им можно полностью заменить вольфрам или нанести на вольфрамовые стенки в качестве защитного покрытия.

Результаты испытаний, проведенных в ИЯФ СО РАН, показали конкурентоспособность покрытий из карбида бора вольфраму и бериллию, которые часто рассматриваются при выборе защитного материала первой стенки и дивертора современных токамаков.

Специалисты Передовой инженерной школы «Цифровой инжиниринг» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (ПИШ СПбПУ) разработали опытно-промышленную технологию изготовления филаментов (расходный материал в виде нити, используемый для 3D-печати) из непрерывного углеродного волокна на основе термопластов [26].

Филаменты из непрерывного углеродного волокна и высокотемпературного полимера группы полиарилкетонов применяют для 3D печати в специальных принтерах по технологии послойного наплавления (FDM и FFF). 

Специалисты ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» разработали не только технологию изготовления филаментов из непрерывного углеродного волокна на основе термопластов, но и изготовили лабораторную установку для его производства производительностью 500 метров филамента в час. Установка была введена в эксплуатацию осенью 2023 г. на территории Композитного дивизиона «Росатома».
Летом 2024 г. опытно-промышленная линия будет введена в эксплуатацию.

Заключение 

За развитие композитной отрасли в стране по договоренности с правительством отвечает госкорпорация «Росатом». Сейчас в «Росатоме» действует целый композитный дивизион, компания «Юматекс» является крупнейшим производителем углеволокна в России. За последние годы его выручка выросла в 15 раз, отечественная промышленность вышла на 100-процентное импортозамещение по всей линейке. «На сегодняшний день Россия вошла в четверку композитных лидеров наряду с США, Японией и Западной Европой и полностью обеспечивает свои потребности. Композитную линейку мы создали. Это одно из основных достижений Росатома за последние пять лет», заявил гендиректор «Росатома» А. Лихачев. «Если металлы были основой советской индустрии 1930–1950-х гг., то в 2020–2040-х такую же роль в фундаментально новом технологическом укладе страны сыграют композитные материалы». Потребность в собственном производстве композитных материалов возникла в 2018 г., когда США отказались поставлять материалы. До 2018-го РФ закупала 100% композитных материалов за рубежом. А сейчас «Юматекс» наладил собственное независимое производство, стал четвертой в мире компанией, способной производить широкую линейку продукции, в том числе высококлассное углеволокно Т700 и Т800. За 4 года Россия выстроила целую индустрию композитов.

Композитная отрасль перспективна, и не случайно «Росатом» развивает это направление как один из ключевых новых бизнесов с ближайшей задачей — масштабировать эту перспективную отрасль в нашей стране.

Подготовила Т.А. Девятова

При подготовке материала использована информация сайтов: www.ng.ru/economics, https://ria.ru, https://atomvestnik.ru, https://indicator.ru/chemistry-and-materials, https://www.esi-russia.ru, https://naked-science.ru, https://strana-rosatom.ru, https://dfnc.ru/novosti-vpk

Дополнительные источники

1.atomvestnik.ru›2024/04/30  Диверсификация на вырост

2. lenta.ru›news/2023/03/28/rstmkmp/ Глава «Росатома» рассказал о задачах композитного...

  3. https://compositescluster.ru/upload/iblock Межрегиональный кластер «Композиты без границ»

4. https://strana-rosatom.ru/2020/05/19/v-2021Как идет внедрение композитов в «Росатоме»

5. https://atomvestnik.ru/2024/04/01 И. Дорохова

 Наша цель — сделать Россию передовой страной в области композитных технологий»

6. https://www.esi-russia.ru/solution Композиты в атомной энергетике

7.  vk.com›wall-25236132_8057 Композитные материалы в Росатоме

8. https://izron.ru/articles/tekhnicheskie-nauki-tendentsii Нилов А.С. Кулик В.И. Перспективы применения керамоматричных композиционных материалов БГТУ Военмех им. Д.Ф. Устинова

9. https://www.j-atomicenergy.ru/index.php/ae/article/view/5130 Иванов А.Г., Федоренко А.Г. ВНИИЭФ Целесообразность применения композитных материалов для защитных оболочек АЭС

 10. nauka.tass.ru›nauka/14213175 В Росатоме разработан новый композит

10а. https://dzen.ru/a/YoVpCC6QeX7_nxUK.  Новые материалы «НИИграфит»

11.https://strana-rosatom.ru/2024/04/15/ Как повысить толерантность ядерного топлива

11а. https://bstudy.net/826223/tehnika/ Наноматериалы для атомной энергетики 11б. https://pikabu.ru/story/rosatom Росатом запатентовал новую модификацию композитного ядерного топлива

12. energyland.info›analitic-show-170694 кластер «Композиты без границ»

13. https://kntp.ntr.ru/ С. Кишилов: вовлечение кадров в композитную отрасль

14. https://soyuzmash.ru/news соглашение о стратегическом сотрудничестве Межвузовского инжинирингового центра в области композитных материалов

15. https://naked-science.ru/article/chemistry Материал для атомных реакторов стал прочнее

15а. nauka.tass.runauka/19597945 В России создали новые материалы для теплозащиты

16. www.mdpi.com С. Рогожкин ets. Стали для ядерных реакторов

16а. https://www.atomic-energy.ru/news/ 2022 Новый композитный материал для очистки ЖРО

16б. https://agora.guru.ru/ 2022 20-я м-н Школа-конференция им. Б.А. Калина: Новые материалы. Перспективные технологии получения и методы исследования

 17. https://indicator.ru/chemistry-and-materials 2018 Композиты для ядерных реакторов нового поколения

18. https://www.nntu.ru/structure/view/ Лаборатория композиционных и керамических материалов НГТУ

19. https://www.nntu.ru/structure/ ПИШ атомного машиностроения и систем высокой плотности энергии

20. https://nauka.tass.ru/nauka/20686179 Новый способ синтеза высокопрочных композитов на основе MAX-фаз (ТПУ).

20а. news.tpu.ru Ученые ТПУ создадут устойчивые к водородным...

20б. portal.tpu.ruscience/konf/mt/applicants

Международная научно-техническая молодежная конференция ТПУ 2023

21. https://cyberleninka.ru/article  Соколенко И.В. Термостойкие полимерные композиционные материалы для нейтронной и гамма-защиты космических ЯЭУ. БГТУ им. В.Г. Шухова

 22. https://www.pnpi.nrcki.ru/nauka-i-obrazovanie/novosti-nauki Разработка передовых композитных материалов для защиты от ионизирующего излучения

23. https://zedex-bsc.ru/primenenie/atomnaya-promyshlennost

Полимеры для атомной промышленности 

24. iStock.com / ria.ru В России предложили технологию получения материалов нового поколения

25. academia.interfax.ru›ru/news/articles/12085/

Материал для стенок термоядерного реактора ITER 

26. https://naukarosatom.ru/news Промышленная технология производства композита из непрерывного углеволокна для 3D-печати ПИШ СПбПУ

 

 
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 | 6 Комментарии | Поиск в дискуссии
Спасибо за проявленный интерес

Re: Зачем атомщикам композиты (Всего: 0)
от Гость на 03/07/2024
Тема осталась нераскрытой. Почему нужно именно в Росатом впихивать так много непрофильных направлений.  До денег кто-то слишком жадный, что-ли?


[ Ответить на это ]


Re: Зачем атомщикам композиты (Всего: 0)
от Гость на 03/07/2024
Тема осталась нераскрытой. Почему нужно именно в Росатом впихивать так много непрофильных направлений.  До денег кто-то слишком жадный, что-ли?

=====

Банальная хитрожопость. Всю эту непрофиль втыкают потом в госпрограммы с гарантированным бюджетным финансированием.))


[
Ответить на это ]


Re: Зачем атомщикам композиты (Всего: 0)
от Гость на 04/07/2024
зачем атомщикам ключи, кувалды, болты, гайки, салфетки... сколько еще нераскрытых тем


[ Ответить на это ]


Re: Зачем атомщикам композиты (Всего: 0)
от Гость на 04/07/2024
Ох, что-то мне подсказывает, что 95% из всего вышеизложенного просто  бумажная барабанная мулька. Впрочем, успехов. А НИИГРАФИТ разве ещё жив, и если жив, то кто же там работает?


[ Ответить на это ]


Re: Зачем атомщикам композиты (Всего: 0)
от Гость на 17/07/2024
Производство углеродных материалов на "Светлогорскхимволокно" началось более 30 лет назад с опытного участка, состоящего из нескольких печей пакетного типа загрузки. В начале 1980-х был построен мощный цех по выпуску углеродных тканей для нужд оборонной промышленности, который был далее реорганизован в отдельный комплекс и оснащен новым оборудованием мирового уровня. Технологический процесс разработан специалистами НПО «Химволокно», г.Мытищи, МО. https://www.sohim.by/upload/iblock/677/1_cf_ru.pdf/////////////////////////Так что тема еще с советских времен живет, в том числе и в Балаково.......................


[
Ответить на это ]


Re: Зачем атомщикам композиты (Всего: 0)
от Гость на 17/07/2024
На конец 2024 г. запланировано открытие производства композитных ветролопастей длиной 50 м в Ульяновске.......?????????????    Кто разработчик (конструктор) и изготовитель этих 50 м лопастей? Просветите, коллеги, плиз!


[ Ответить на это ]






Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург. Тел.:+7(921)9589004
E-mail: info@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: 0.07 секунды
Рейтинг@Mail.ru