28 сентября отмечается День работника атомной промышленности. Развитие этой отрасли требует передовых технологий и материалов, рассчитанных на длительную работу в сложных условиях. В России этим занимаются специалисты в рамках федерального проекта «Специальные материалы и технологии атомной энергетики» национального проекта «Новые атомные и энергетические технологии». Он предусматривает исследование перспективных материалов и развитие инфраструктуры, необходимой для создания и испытаний технологий атомной энергетики нового поколения.
Для энергоблоков поколения III+ проектный срок службы основного оборудования увеличился с 30 до 60 лет с возможностью дальнейшего продления до 80 лет. Это изменение выглядит как инженерное достижение, но по сути является материаловедческим, поскольку надёжность реактора в первую очередь зависит от материалов, из которых изготовлены ключевые элементы энергетической установки.
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой металловедения и физики прочности НИТУ МИСИС Сергей Никулин рассказывает Naked Science о том, как меняются требования к конструкционным материалам для ядерной энергетики и какие компетенции становятся ключевыми для инженеров-конструкторов.
Работаем на пределе
Долгое время одним из базовых принципов инженерного проектирования оставался запас прочности. То есть, конструкция рассчитывалась таким образом, чтобы материал обладал характеристиками, превышающими ожидаемые нагрузки.
Однако для реакторных материалов этого недостаточно. Стальной корпус десятилетиями работает при высоких температурах и постоянном нейтронном облучении. За всё это время материал должен не разрушиться и не потерять свои механические свойства. Поэтому значение приобретают, помимо химического состава и исходных характеристик, чистота материала, однородность его структуры и предсказуемость изменений в течение всего жизненного цикла.
Именно эту способность — гарантировать поведение материала на срок, который выходит за пределы одного поколения инженеров, — покупает заказчик, когда выбирает подрядчика. Россия сегодня сооружает 41 энергоблок АЭС за рубежом и удерживает порядка 90% мирового рынка экспортного строительства атомных станций, а также центров ядерной науки.
Инновации для новых реакторов
Изменение требований к материалам связано с тем, что меняется сама архитектура атомной энергетики. Перспективные системы IV поколения должны не только производить энергию, но и эффективнее использовать ядерное топливо, сокращать объём отходов и обеспечивать дополнительные уровни безопасности. В России одним из ключевых направлений становится двухкомпонентная атомная энергетика с реакторами на быстрых нейтронах и замкнутым ядерным топливным циклом. Для таких установок нужны материалы, рассчитанные на работу с новыми теплоносителями и в условиях более высоких радиационных и температурных нагрузок. Например, в проекте БРЕСТ-ОД-300 вместо воды используется свинец, что меняет требования к коррозионной стойкости конструкционных материалов и их совместимости с теплоносителем. Сам реактор работает на быстрых нейтронах, которые по характеру взаимодействия с материалом отличаются от нейтронов в тепловых реакторах.
Для разработки и испытаний перспективных материалов необходима соответствующая инфраструктура. Один из ключевых объектов — многоцелевой исследовательский реактор МБИР в Димитровграде. На нём в 2028 году планируют исследовать материалы и технологии для перспективной атомной энергетики, в том числе проводить испытания, связанные с жидкосолевыми реакторами и установками с жидкометаллическим и газовым теплоносителями.
Чем больше расчётный срок службы энергетического объекта, тем выше значение методов диагностики. Причём оборудование, которое должно беспрерывно работать десятилетиями, необходимо контролировать непосредственно в процессе эксплуатации. Одним из перспективных направлений диагностики является акустико-эмиссионный метод, который основан на регистрации упругих волн, возникающих в материале при развитии деформации и повреждений. Анализ таких сигналов позволяет выявлять процессы зарождения и развития дефектов до того, как они приведут к разрушению конструкции.
Люди — самый ценный ресурс
Расширение задач закономерно меняет требования к специалистам. Сегодня материаловед, работающий с конструкционными материалами для атомной промышленности, должен понимать физические механизмы деформации и разрушения, владеть современными методами исследования и неразрушающего контроля, а также уметь работать с расчётными моделями и большими массивами экспериментальных данных.
Особое значение приобретают компьютерное моделирование и методы машинного обучения. Они позволяют анализировать взаимосвязи между химическим составом, структурой материала, технологией его получения и эксплуатационными свойствами, а также прогнозировать поведение перспективных материалов до проведения полного цикла дорогостоящих испытаний.
Меняется и сам подход к производству материалов и деталей. Аддитивные технологии позволяют создавать изделия со сложной внутренней геометрией, тонкими стенками и каналами, которые трудно или невозможно изготовить традиционными методами. При этом передовое оборудование само по себе не гарантирует появление новой технологии.
Именно поэтому подготовка кадров становится частью технологического развития отрасли. Для этого НИТУ МИСИС в рамках пилотного проекта по изменению уровней высшего образования реализуется программа «Материаловедение инновационных конструкционных материалов», где студенты изучают методы создания и исследования современных сталей и сплавов, работают с оборудованием лабораторий университета и участвуют в решении реальных задач индустриальных партнёров.
Скорость перехода от научного результата к промышленному применению во многом зависит от специалистов, способных объединить экспериментальные исследования, математические модели и инженерные требования.
